Nghiên cứu tổng hợp cấu trúc điều khiển véc tơ truyền động động cơ không đồng bộ với tải có khớp nối mềm.

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................................8
MỞ ĐẦU ..............................................................................................................................9
1. TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU KHIỂN VECTOR TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KĐB
THEO NGUYÊN LÝ TỰA TỪ THÔNG ROTOR ........................................................... 14
1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................................... 14
1.2 Tổng quan về điều khiển hệ truyền động KĐB ............................................................... 15
1.2.1 Tổng quan các phương pháp điều khiển hệ truyền động KĐB ...................................... 15
1.2.2 Tổng quan các phương pháp điều khiển mạch vòng điều chỉnh………………………..17
1.3 Tiêu chí đánh giá chất lượng điều khiển hệ truyền động KĐB ........................................ 22
1.4 Tình hình và định hướng nghiên cứu trong và ngoài nước .............................................. 25
1.5 Định hướng nghiên cứu của luận án ............................................................................... 26
2. MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG KĐB ................................................. 28
2.1 Mô hình điều khiển động cơ KĐB-RLS trên hệ tọa độ dq ............................................... 28
2.2 Phần tải của hệ truyền động ............................................................................................ 32
2.2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................... 32
2.2.2 Đặc điểm tải điển hình của hệ truyền động điện .......................................................... 33
2.2.3 Phân tích động lực học khớp nối mềm ........................................................................ 36
2.3 Giới hạn nghiên cứu ....................................................................................................... 37
2.4 Mô hình ĐK truyền động động cơ KĐB với tải có khớp nối mềm ................................. 38
2.5 Kết luận chương 2 .......................................................................................................... 42
3. TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN MẠCH VÒNG DÒNG STATOR ..................................... 44
3.1 Đặt vấn đề ...................................................................................................................... 44
3.2 Tổng hợp và đánh giá các bộ điều khiển dòng stator ....................................................... 45
3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng stator kiểu PI ................................................................... 45
3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển dòng stator sử phương pháp TTHCX ....................................... 49
3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển dòng stator trên cơ sở nguyên lý phẳng .................................... 53
3.2.4 Thiết kế bộ điều khiển dòng stator deadbeat truyền thống ............................................ 58
3.2.5 Thiết kế cải tiến bộ điều khiển dòng stator deadbeat .................................................... 63

3.3 Đáp ứng mô-men khi mạch vòng dòng stator nhanh, chính xác, tách kênh ...................... 71
3.4 Kết luận chương 3 .......................................................................................................... 75
1


4. TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ .................................................. 76
4.1 Đặt vấn đề ...................................................................................................................... 76
4.2 Tổng hợp, đánh giá các thiết kế bộ điều khiển tốc độ hệ truyền động động cơ KĐB với tải
có khớp nối cứng ................................................................................................................. 78
4.2.1 Thiết kế bộ điều khiển PI tốc độ kiểu ........................................................................... 78
4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ theo phương pháp backstepping ..................................... 82
4.2.3 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ dựa trên nguyên lý phẳng .............................................. 88
4.2.4 Kết quả mô phỏng về đánh giá độ bền vững hệ thống .................................................. 93
4.3 Đặc điểm hệ truyền động động cơ KĐB ghép với tải qua khớp nối mềm ........................ 95
4.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số đối tượng đến hệ truyền động ............................ 95
4.3.2 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ, từ thông dựa trên nguyên lý phẳng .............................. 101
4.3.3 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ, từ thông theo phương pháp backstepping .................... 108
4.3.4 Kết quả mô phỏng off-line và mô phỏng thời gian thực (HIL) ................................... 113
4.4 Kết luận chương 4 ........................................................................................................ 117
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 122
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................ 130
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 132
Phụ lục A: Thông số của động cơ KĐB-RLS sử dụng trong quá trình mô phỏng và thực
nghiệm ............................................................................................................................... 132
Phụ lục B: Thông số của truyền động động cơ KĐB với tải có khớp nối mềm sử dụng trong
quá trình mô phỏng và thực nghiệm ................................................................................... 133
Phụ lục C: Các thiết kế mô phỏng Matlab/Simulink và triển khai thực nghiệm .................. 133
Phụ lục D: Mô hình thực nghiệm ...................................................................................... 135
Phụ lục E: Cấu trúc thực hiện thực nghiệm HIL ................................................................ 141

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

s , r

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


is

Tốc độ góc cơ học của rotor

isd , isq , is , is

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

ir

Vector dòng rotor

ird , irq , ir , ir

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

s

Vector từ thông stator

sd , sq

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

Ψr

Vector từ thông rotor

rd , 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

A
B

Ma trận hệ thống

N

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

Ls , Lr

Điện cảm stator và rotor

L s , L r

Điện cảm tản phía stator và rotor

R s , Rr

Điện trở stator và rotor


zp

Hệ số từ tản toàn phần

J

Mô-men quán tính

J1, J2

Mô-men quán tính động cơ và tải

1;  2

1  1; 2  2

Gia tốc góc động cơ và tải
Vận tốc góc động cơ và tải

1;2

Góc quay động cơ và tải

mM ;mL

Mô-men động cơ, mô-men tải

Vector dòng stator

Ma trận đầu vào

Số cặp cực

3


mmax ; mmin

Mô-men cực đại, cực tiểu

c

Hệ số cứng trục nối

d

Hệ số tắt dần

Backstepping
ĐCVTKG
ĐCMCKTĐL
DTC
ĐK

DSP
Exact
Linearizatiom
FOC
FPGA
ĐCVTKG
FRT
HIL
IGBT
IM
MIMO
MCKTĐL
MHTT
KĐB-RLS
KĐB
Latness
MPC
PI
PWM
TTHCX
T4R

Cuốn chiếu
Điều chế vector không gian
Động cơ một chiếu kích từ độc lập
Direct Torque Control – điều khiển mô-men trực tiếp
Điều khiển
Digital Signal Processor
Tuyến tính hóa chính xác
Field Oriented Control

Field Programmable Gate Array
Điều chế vector không gian
Finite response time
Hardware-in-the -lood
Insulated Gate Bipolar Transistor
Induction motor
Multi-Input – Multi-Output
Một chiều kích từ độc lập
Mô hình tính toán từ thông
Không đồng bộ -rotor lồng sóc
Không đồng bộ
Tựa phẳng
Model Predictive Control
Proportional-Intergral
Pulse Width Modulation
Tuyến tính hóa chính xác
Tựa từ thông rotor

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1

Các phương pháp điều khiển hệ truyền động động cơ KĐB ................................ 16

Hình 1.2

Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor (FOC) ....................................... 17

Hình 1.3

Phương pháp điều khiển các mạch vòng hệ truyền động động cơ KĐB ............... 18

Hình 1.4

Tiêu chí đánh giá chất lượng điều khiển hệ truyền động KĐB ............................. 23

Hình 1.5

Đáp ứng của hệ điều khiển truyền động điện ....................................................... 25

Hình 2.1

Cấu trúc mô hình điều khiển động cơ KĐB-RLS ................................................ 30

Hình 2.2

Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ KĐB-RLS .................................................. 31

Hình 2.3

Đặc tính tải phản kháng mô-men không đổi ........................................................ 33

Hình 2.4

Đặc tính tải thế có mô-men không đổi ................................................................. 34

Hình 2.5

Đặc tính cơ của mô-men ma sát (a) và sơ đồ hàm truyền (b) Đặc tính tải của

truyền động bơm, quạt (c); Sơ đồ khối (d) ............................................................................. 36
Hình 2.6

Đặc tính cơ của tải công suất không đổi (a); Sơ đồ khối (b) ................................. 36

Hình 2.7

Hệ truyền động ghép mềm động cơ với phụ tải ................................................... 37

Hình 2.8

Cấu trúc hệ truyền động ghép mềm động cơ với phụ tải ...................................... 38

Hình 2.9

Cấu trúc dạng sơ đồ khối hệ ghép mềm với phụ tải (a) Mô hình đầy đủ và (b) Mô

hình biến đổi để tìm hàm truyền ............................................................................................ 40
Hình 2.10 Đồ thị biên–tần của Gs1 ...................................................................................... 40
Hình 2.11 Đồ thị Bode của GS 1  s  : Dạng đồ thị khi tỷ lệ quán tính x thay đổi ...................... 41
Hình 2.12 Đồ thị biên–tần của Gs2 với các giá trị d khác nhau ............................................. 41
[[[Ơ

Hình 3.1

Cấu trúc bộ điều khiển PI dòng stator................................................................. 47

Hình 3.2

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đáp ứng động học dòng isd , isq, tốc độ của bộ

điều khiển PI dòng stator...................................................................................................... 48
Hình 3.3

Cấu trúc chuyển đổi tọa độ trạng thái của một hệ phi tuyến sang tuyến tính thay

thế........................................................................................................................................ 50
Hình 3.4

Cấu trúc bộ điều khiển dòng stator sử dụng phương pháp tuyến tính hóa chính xác
.......................................................................................................................... 52

Hình 3.5

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đáp ứng dòng isd, isq và tốc độ của bộ điều

khiển sử dụng TTHCX dòng stator....................................................................................... 53
Hình 3.6

Cấu trúc điều khiển vòng hở sử dụng mô hình đảo .............................................. 54

Hình 3.7

Cấu trúc ĐK vòng kín sử dụng mô hình đảo, thiết lập quỹ đạo phản hồi............. 54
5


Hình 3.8

Cấu trúc ĐK dòng stator dựa trên nguyên lý tựa phẳng ....................................... 56

Hình 3.9

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đáp ứng dòng isd , isq và tốc độ của bộ điều

khiển dựa trên nguyên lý phẳng dòng stator .......................................................................... 57
Hình 3.10 Cấu trúc ĐK số tổng quát hệ SISO trên miền thời gian gián đoạn........................ 58
Hình 3.11 Giá trị đặt và thực của hệ SISO với tốc độ đáp ứng hữu hạn ................................ 58
Hình 3.12 Sơ đồ khối vòng ĐK dòng stator is của động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq............. 59
Hình 3.13 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đáp ứng dòng isd , isq và tốc độ của bộ điều
khiển deadbeat truyền thống dòng stator ............................................................................... 61
Hình 3.14 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm bộ điều khiển deadbeat truyền thống dòng
stator khi Tr giảm .................................................................................................................. 62
Hình 3.15 Cấu trúc bộ điều khiển dòng stator deadbeat cải tiến ........................................... 68
Hình 3.16 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đáp ứng dòng isd isq và tốc độ của

bộ điều

khiển dòng stator deadbeat cải tiến ........................................................................................ 69
Hình 3.17 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm bộ ĐK dòng stator deadbeat cải tiến.............. 70
Hình 3.18 Cấu trúc ĐK tốc độ động cơ KĐB-RLS khi vòng ĐK dòng stator thiết kế nhanh,
chính xác và tách kênh .......................................................................................................... 72
Hình 3.19 Cấu trúc ĐK mô-men động cơ ghép mềm với phụ tải(vùng trên tốc độ cơ bản) ... 75
[Ơ

Hình 4.1

Cấu trúc bộ ĐK tốc độ PI khi động cơ ghép cứng với phụ tải .............................. 78

Hình 4.2

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đáp ứng tốc độ và mô-men –bộ ĐK PI tốc độ..
........................................................................................................................... 81

Hình 4.3

Cấu trúc tổng quát điều khiển backstepping ........................................................ 83

Hình 4.4

Cấu trúc ĐK mạch vòng tốc độ theo phương pháp backstepping khi động cơ ghép

cứng với phụ tải .................................................................................................................... 84
Hình 4.5

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đáp ứng từ thông, tốc độ và mô-mentheo

phương pháp backstepping .................................................................................................... 86
Hình 4.6

Sơ đồ cấu trúc bộ ĐK tốc độ dựa trên nguyên lý phẳng khi động cơ ghép cứng với

phụ tải

........................................................................................................................... 89

Hình 4.7

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đáp ứng tốc độ và mô-men theo nguyên lý

phẳng

........................................................................................................................... 92

Hình 4.8

Đáp ứng tốc độ, mô-men và giá trị điện trở Rr tăng ............................................. 94

Hình 4.9

Cấu trúc điều khiển tốc độ PI của hệ truyền động động cơ KĐB ......................... 96

ghép với khớp qua khớp nối mềm ......................................................................................... 96
Hình 4.10 Đồ thị đặc tính biên – pha của hệ khi thay đổi c .................................................. 97
Hình 4.11 Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi hệ số cứng trục nối c ........................ 97
6


Hình 4.12 Đồ thị đặc tính tần biên –pha khi thay đổi hệ số ............................................... 98
Hình 4.13 Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi hệ số giảm chấn d............................. 98
Hình 4.14 Đồ thị đặc tính tần biên –pha khi thay đổi hệ số(

) ........................................ 99

Hình 4.15 Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi tỷ lệ mô-men quán tính J1 / J 2 ....... 100
Hình 4.16 Quỹ đạo 4-1-4................................................................................................... 105
Hình 4.17 Cấu trúc thiết kế bộ ĐK tốc độ, từ thông dựa trên nguyên lý phẳng cho hệ ghép
mềm động cơ với phụ tải ..................................................................................................... 108

Hình 4.18 Cấu trúc thiết kế bộ ĐK tốc độ, từ thông theo phương pháp backstepping cho hệ
ghép mềm động cơ với phụ tải ............................................................................................ 112
Hình 4.19 Kết quả mô phỏng Matlab/Simulink và HIL đáp ứng tốc độ thực tải và động cơ tại
(  ) 1000 vòng/phút ............................................................................................................ 114
Hình 4.20 Kết quả mô phỏng Matlab/Simulink và HIL đáp ứng tốc độ thực tải và động cơ tại
(  ) 1vòng/phút .................................................................................................................. 115
[[

Hình 5.1

Cấu trúc ĐK bộ ĐK dòng stator kiểu deadbeat đề xuất (mô phỏng và thực nghiệm)
......................................................................................................................... 133

Hình 5.2

Cấu trúc ĐK bộ ĐK tốc độ, từ thông dựa trên nguyên lý phẳng của hệ ghép mềm

động cơ với phụ tải ............................................................................................................. 134
Hình 5.3

Cấu trúc ĐK bộ ĐK tốc độ, từ thông theo backstepping của hệ ghép mềm động cơ

với phụ tải ......................................................................................................................... 134
Hình 5.4

Mô hình thực nghiệm ........................................................................................ 135

Hình 5.5

Sơ đồ cấu trúc dây cho bộ Mentor II với DC motor ........................................... 136

Hình 5.6

Các chức năng phím ấn trên Mentor II .............................................................. 137

Hình 5.7

Mạch đo lường .................................................................................................. 138

Hình 5.8

Nguyên lý bàn thực nghiệm .............................................................................. 139

Hình 5.9

Cấu trúc thực nghiệm HIL ................................................................................ 141

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1. Các thông số động cơ KĐB-RLS .......................................................................... 44
Bảng 3.2. Đánh giá bộ điều khiển PI dòng stator................................................................... 49
Bảng 3.3. Đánh giá bộ điều khiển sử dụng phương pháp TTHCX dòng stator ....................... 53
Bảng 3.4. Đánh giá dòng stator dựa trên nguyên lý phẳng dòng stator.................................. 57
Bảng 3.5. Đánh giá bộ điều khiển dòng stator deadbeat truyền thống .................................... 61
Bảng 3.6. Đánh giá bộ điều khiển dòng stator deadbeat cải tiến ............................................ 69
Bảng 4.1. Các thông số động cơ KĐB-RLS và thông số khớp nối mềmmô-men quán ........... 77
Bảng 4.2. Tiêu chí đánh giá bộ ĐK PI tốc độ ........................................................................ 81

Bảng 4.3. Tiêu chí đánh giá bộ ĐK tốc độ theo phương pháp backstepping .......................... 87
Bảng 4.4. Tiêu chí đánh giá bộ ĐK tốc độ dựa trên nguyên lý............................................... 92
Bảng 4.5. Đánh giá và so sánh độ sụt tốc độ và độ sụt mô-men khi Rr tăng .......................... 94
Bảng 4.6. Tiêu chí đánh giá bộ ĐK tốc độ cho truyền động động cơ KĐB ghép với phụ tải qua
khớp nối mềm ..................................................................................................................... 116
Bảng 5.1 Thông số động cơ IM........................................................................................... 135
Bảng 5.2 Tham số mạch lực hệ thống thực nghiệm ............................................................. 135
Bảng 5.3 Menu sử dụng để cài đặt chế độ Torque Control cho Mentor II ............................ 137

8


MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài:
Ngày nay hệ thống truyền động động cơ không đồng bộ với cấu trúc bộ biến tần bán
dẫn – động cơ không đồng bộ đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Bên
cạnh đó cùng với những tiến bộ vượt bậc về điều khiển cả về lý thuyết lẫn đảm bảo phần
cứng, mở ra khả năng nghiên cứu đối với những hệ thống truyền động chất lượng cao, đáp
ứng đầy đủ các yêu cầu động học cũng như bền vững trong môi trường phụ tải biến động. Hệ
truyền động không đồng bộ có thể là hệ scalar (vô hướng) và vector, trong đó hệ scalar làm
việc dựa trên các đặc tính của quá trình xác lập nên gặp khó khăn khi đảm bảo các quá trình
động học. Còn đối với hệ điều khiển vector, dựa trên các quá trình tức thời theo thời gian nên
có thể kiểm soát hiệu quả các quá trình động học phức tạp. Hệ điều khiển vector có thể là hệ
điều khiển tựa theo từ thông rotor (FOC), hệ điều khiển trực tiếp mô-men (DTC), trong đó
FOC có ưu điểm là phân ly được quá trình điều khiển từ thông và quá trình sinh mô-men, vì
vậy FOC là hệ thống điều khiển vector nhận được sự quan tâm nhiều nhất từ trước đến nay.
Như chúng ta đã biết, một hệ truyền động động cơ KĐB ghép nối với tải qua khớp cứng hay
khớp mềm có đặc điểm như các quá trình điện từ xảy ra trong bộ biến đổi điện cơ, đó là bao
gồm bộ biến đổi bán dẫn công suất và động cơ, với hằng số thời gian nhanh hơn nhiều so với

quá trình cơ học. Đồng thời phải kể các loại phụ tải, mô-men quán tính, kết cấu cơ khí trục nối
động cơ với phụ tải như hộp số và các trục chuyển động quay, khe hở…Bên cạnh đó về phần
điều khiển hệ thống thường có dạng cấu trúc điều khiển thường có phân cấp (cascade), bao
gồm các mạch vòng dòng stator bên trong tác động nhanh, đến mạch vòng từ thông và các
mạch vòng bên ngoài như mạch vòng tốc độ, mạch vòng vị trí, hoặc các mạch vòng công nghệ
khác với hằng số thời gian lớn hơn. Những thành phần này rất quan trọng, ảnh hưởng đến cải
thiện, nâng cao chất lượng truyền động trong nghiên cứu lý thuyết cũng như triển khai xuống
thực tiễn sản xuất.
Với cấu trúc FOC tiêu biểu nhận thấy có các mạch vòng điều khiển mô-men thông qua
bộ điều khiển dòng stator và mạch vòng điều khiển tốc độ. Trong đó mạch vòng mô-men cho
hệ truyền động KĐB gặp nhiều khó khăn, bởi vì trong mô hình động cơ KĐB là hệ đa biến,
dòng stator có tính phi tuyến và xen kênh, hai biến trạng thái dòng rotor và từ thông là không
thể thường xuyên đo được, điện trở rotor tăng lên theo nhiệt độ trong quá trình vận hành, làm
ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển truyền động điện. Mạch vòng điều khiển tốc độ thì phụ
thuộc vào các loại tải, mô-men quán tính và cơ cấu ghép nối trục, …Những yếu tố này nếu
được giải quyết triệt để, phù hợp với yêu cầu công nghệ thực tiễn, sẽ góp phần vào nâng cao
chất lượng điều khiển truyền động điện. Chính vì vậy nhận thấy cấu trúc điều khiển FOC
thường giải quyết vấn đề khó khắn trên bằng các phương pháp thiết kế tuyến tính hay gần đây
là các phương pháp phi tuyến. Trong đó phương pháp tuyến tính với bộ điều chỉnh PI được áp
dụng cho hầu hết các hệ truyền động công nghiệp thông thường, có những giới hạn vì chỉ
9


đúng cho các chế độ quanh điểm xác lập. Đối với các phương pháp điều khiển phi tuyến với
yêu cầu tính toán phức tạp hơn, nhưng sẽ có vùng làm việc được chỉ ra rộng hơn nhiều so với
chỉ các điểm xác lập. Qua nghiên cứu nhận thấy rằng có nhiều công trình nghiên cứu thiết kế
bộ điều khiển mô-men cũng như điều khiển tốc độ. Những kết quả nghiên cứu trước đây đạt
được là áp đặt mô-men nhanh và chính xác, đáp ứng tốc độ nhanh, quá điều chỉnh nhỏ và biên
độ mô-men nhỏ. Tuy nhiên chưa thấy một công trình nào đánh giá và so sánh các phương
pháp điều khiển tuyến tính và phi tuyến, để giải quyết triệt để những khó khăn mắc phải của

bộ điều khiển mô-men và bộ điều khiển tốc độ. Đồng thời thông qua nghiên cứu tổng quan
các phương pháp điều khiển mô-men và tốc độ động cơ KĐB trong cấu trúc FOC nhận thấy,
các nghiên cứu thường chỉ tập trung áp dụng một phương pháp thiết kế nào đó, tuyến tính hay
phi tuyến, để đảm bảo hay cải thiện một phần đặc tính của hệ truyền động. Chưa thấy công
trình nào đưa ra cách kết hợp mạch vòng điều khiển tốc độ với mạch vòng mô-men nhanh và
chính xác phù hợp với truyền động động cơ ghép với tải qua khớp nối điển hình (ghép nối
cứng và ghép nối mềm). Chính vì vậy vấn đề cấp bách đặt ra hiện nay chính là “cần nghiên
cứu các cấu trúc điều khiển vector kết hợp mạch vòng điều khiển tốc độ với mạch vòng điều
khiển mô-men tác động nhanh, chính xác trong truyền động động cơ KĐB ghép với tải qua
khớp nối điển hình, nhằm đưa ra một hệ truyền động chất lượng, có khả năng áp dụng trong
thực tiễn bởi những công cụ điều khiển hiện đại”.
Đối tượng nghiên cứu:
Cấu trúc điều khiển vector làm việc theo nguyên lý tựa từ thông rotor cho truyền động
động cơ không đồng bộ ghép với tải qua khớp nối điển hình (khớp nối cứng và khớp nối
mềm).
Mục đích nghiên cứu:
Phân tích, tổng hợp và hoàn thiện các phương pháp thiết kế điều khiển dòng stator, tốc
độ trong điều khiển FOC cho động cơ KĐB, nhằm đưa ra cấu trúc phù hợp điều khiển hệ
truyền động động cơ KĐB ghép với tải qua khớp nối điển hình, để cải thiện chất lượng truyền
động.
Phạm vi nghiên cứu:
Điều khiển mô-men cho động cơ KĐB theo phương pháp FOC.
Điều khiển hệ truyền động KĐB theo phương pháp FOC ghép với tải qua khớp nối
điển hình (khớp nối cứng và khớp nối mềm) với mô-men quán tính J, mô-men cản không thay
đổi, trong dải tốc độ cơ bản.
Phương pháp nghiên cứu:
+ Tổng hợp các phương pháp thiết kế điều khiển mô-men và tốc độ.
+ Đánh giá và hoàn thiện các phương pháp điều khiển mạch vòng dòng stator và tốc độ.
+ Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ phi tuyến cho truyền động động cơ KĐB với mạch
vòng mô-men tác động nhanh và chính xác nhờ bộ điều khiển dòng stator, áp dụng cho động

cơ ghép với tải qua khớp nối mềm.
10


+ Mô phỏng off-line Matlab/Simulink, mô phỏng thời gian thực HIL.
+ Thực nghiệm.
Ý nghĩa của đề tài:
Đưa ra nghiên cứu tổng hợp cấu trúc điều khiển vector truyền động động cơ KĐB
ghép với tải qua khớp nối cứng và mềm, đảm bảo chất lượng truyền động với khả năng ứng
dụng thực tiễn. Từ đó tư vấn, giúp ích cho kỹ sư cách đánh giá khái quát khi kết hợp thiết kế
các mạch vòng điều chỉnh, theo các phương pháp điều khiển khác nhau, để đạt được tiêu chí
chất lượng điều khiển truyền động đặt ra.
Từ các mục tiêu đặt ra ta sẽ dễ dàng khẳng định được:
Ý nghĩa khoa học:
Đề tài tổng hợp, đánh giá các phương pháp thiết kế các cấu trúc điều khiển hệ truyền
động FOC hiện đại, kết hợp cả tuyến tính lẫn phi tuyến, có khả năng ứng dụng thực tiễn. Bên
cạnh đó đưa ra giải pháp hoàn thiện bộ điều chỉnh dòng stator đảm bảo nhanh, chính xác và
tách kênh. Đồng thời đưa ra cấu trúc điều khiển vector truyền động động cơ không đồng bộ
ghép với tải qua khớp nối cứng và mềm kết hợp mạch vòng mô-men tác động nhanh và chính
xác. Tính đúng đắn của lý thuyết được minh chứng bằng mô phỏng off-line, mô phỏng thời
gian thực HIL, mô hình thực nghiệm.
Ý nghĩa thực tiễn:
Đề xuất được cấu trúc điều khiển vector truyền động động cơ KĐB ghép với tải qua
khớp nối mềm, với mạch vòng dòng stator thiết kế tốt, đảm bảo các yêu cầu về chất lượng
truyền động điện. Với kết quả đóng góp của luận án là định hướng thiết kế cho các kỹ sư và
ứng dụng các bộ điều khiển biến tần cho động cơ vào thực tiễn công nghiệp.
Bố cục của luận án được chia thành 4 chương:
Chương 1: trình bày tổng quan về phương pháp điều khiển scalar và vector cho hệ
truyền động động cơ KĐB, trong đó phương pháp điều khiển FOC có nhiều ưu điểm và được
ứng dụng rộng rãi trong nghiệp. Bên cạnh đó trong chương 1 đã đưa ra phân tích đặc điểm các

phương pháp điều khiển tuyến tính và phi tuyến cho các mạch vòng điều chỉnh (dòng stator,
từ thông và tốc độ). Đồng thời đề xuất các tiêu chí đánh giá chất lượng điều khiển thông qua
bộ điều khiển dòng stator và tốc độ. Dựa vào bộ tiêu chí này để thực hiện tổng hợp, đánh giá
hiệu quả phương pháp điều khiển cho các mạch vòng điều chỉnh, từ đó xác định được các vấn
đề còn tồn tại cần tiếp tục giải quyết, hoàn thiện để nâng cao chất lượng điều khiển truyền
động động cơ KĐB ghép với tải qua khớp nối điển hình.
Chương 2: trình bày chi tiết mô hình điều khiển vector truyền động động cơ KĐB
ghép với tải qua khớp nối điển hình. Đầu tiên phân tích đặc điểm của mô hình ĐK động cơ
KĐB-RLS – FOC ghép với tải qua khớp nối cứng, như tính phi tuyến, xen kênh, các chế độ
vận hành động cơ, mối quan hệ hằng số thời gian điện cảm với hằng số thời rotor, đặc tính tải,
cơ cấu khớp nối …sao cho phù hợp thiết kế bộ điều chỉnh dòng stator và tốc độ. Tiếp theo đưa
ra giới hạn nghiên cứu phần phụ tải truyền động động cơ KĐB, mục đích để đánh giá sự kết
hợp các mạch vòng điều chỉnh với tải đặc thù (động cơ ghép nối mềm với phụ tải). Vì vậy
11


trong chương 2 sẽ đề xuất mô hình truyền đạt, trạng thái khi động cơ ghép mềm với phụ tải,
phù hợp với thiết kế các mạch vòng điều khiển tốc độ. Và phần tiếp theo đưa ra mô hình điện
cơ đầy đủ hệ truyền động động cơ ghép với phụ tải qua khớp nối mềm.
Chương 3: trình bày tổng hợp đánh giá các thiết kế bộ điều khiển dòng stator theo
phương pháp tuyến tính như PI, deadbeat truyền thống, phương pháp điều khiển phi tuyến như
tuyến tính hóa chính xác, nguyên lý phẳng, theo tiêu chí đánh giá tại chương 1. Qua kết quả
tổng hợp đánh giá, luận án đưa ra giải pháp cải thiện bộ điều khiển dòng stator sao áp đặt mômen nhanh, chính xác và không nhạy tham số động cơ của bộ ĐK deadbeat truyền thống (bộ
điều khiển bù) bằng bộ điều khiển tuyến tính mới kiểu deadbeat MIMO. Tính đúng đắn của lý
thuyết được minh chứng qua mô phỏng và thực nghiệm. Bên cạnh đó dựa vào kết quả nghiên
cứu chương 3 đưa ra vai trò của mạch vòng dòng stator trong mô hình hóa hệ truyền động
động cơ KĐB-làm việc theo nguyên lý tựa từ thông rotor.
Chương 4: với nhận thức mạch vòng dòng stator điều khiển được đảm bảo tiêu chí”
nhanh, chính xác và tách kênh”, cho phép mô hình hệ điện-cơ (động cơ nối với phụ tải qua
khớp nối đặc thù) được rút gọn, lúc này luận án chỉ tập trung tổng hợp, đánh giá các thiết kế

bộ điều khiển tốc độ theo phương pháp điều khiển phi tuyến như tựa phẳng, backstepping cho
hệ truyền động KĐB ghép cứng động cơ với phụ tải, được so sánh với bộ ĐK PI thường dùng
trong công nghiệp. Từ kết quả nghiên cứu này sẽ là cơ sở lý thuyết cũng như thực nghiệm để
đưa ra thiết kế bộ ĐK tốc độ phi tuyến (tựa phẳng và backstepping) cho hệ truyền động động
cơ KĐB với tải có khớp nối mềm. Kết quả nghiên cứu được minh chứng qua mô phỏng offline, mô phỏng thời gian thực HIL và thực nghiệm.
Thông số động cơ KĐB-RLS, thông số mô phỏng off-line, thời gian thực HIL và thực
nghiệm được trích dẫn ở mục đặt vấn đề chương 3 và chương 4.
Thông số bàn thực nghiệm, thông số mô phỏng thời gian thực HIL, các thiết kế bộ điều
khiển dòng stator, tốc độ được trích dẫn trong phụ lục.
Phần cuối là kết luận và kiến nghị của luận án.
Dự kiến những kết quả mới của luận án:
1. Đã đưa ra cách nhìn khác về việc bộ nghịch lưu 2 mức nguồn áp kết hợp với bộ điều
khiển dòng stator bảo đảm “nhanh, chính xác và tách kênh” có thể được coi là nghịch lưu
nguồn dòng, có khả năng cấp dòng isd và isq với vai trò biến điều khiển (thay thế cho usd và
usq). Dẫn đến mô hình điều khiển động cơ từ bậc 4 được rút gọn thành bậc 2 và mô hình điện
cơ hệ truyền động động cơ KĐB ghép với tải qua khớp nối mềm từ bậc 7 được rút gọn bậc 5,
dẫn đến quá trình thiết kế cấu trúc điều khiển vòng ngoài (từ thông, tốc độ quay) trở nên đơn
giản đáng kể.
2. Đề xuất và hoàn thiện được phương pháp thiết kế điều khiển dòng stator MIMO (2
biến vào và 2 biến ra) tuyến tính mới kiểu deadbeat, góp phần hạn chế nhược điểm nhạy tham
số của bộ điều khiển dòng stator deadbeat truyền thống. Kết quả được minh chứng bằng mô
phỏng off-line, thực nghiệm trên động cơ KĐB trong phòng thí nghiệm.

12


3. Thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến tựa phẳng và backstepping cho hệ truyền động
động cơ KĐB ghép với tải qua khớp nối mềm, khi kết hợp mạch vòng trong điều khiển mômen nhanh và chính xác nhờ bộ điều khiển dòng stator mới. Kết quả được minh chứng bằng
mô phỏng off-line và mô phỏng thời gian thực HIL.
4. Tổng hợp và đánh giá các phương pháp điều khiển mô-men và tốc độ truyền động

động cơ không đồng bộ điều khiển vector định hướng theo từ trường rotor (FOC) của các
công trình công bố. Kết quả được minh chứng bằng mô phỏng off-line, thực nghiệm trên động
cơ KĐB trong phòng thí nghiệm

13


1. TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU KHIỂN VECTOR TRUYỀN
ĐỘNG ĐỘNG CƠ KĐB THEO NGUYÊN LÝ TỰA TỪ
THÔNG ROTOR

1.1 Đặt vấn đề
Trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền động điện đóng góp vai trò quan trọng
trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Vì vậy các hệ truyền động luôn được
quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng, để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức độ
tự động hóa cao. Nhận thấy rằng cấu trúc truyền động xoay chiều không đồng bộ bao gồm
động cơ quay máy sản xuất được nối qua khớp nối cứng hay khớp nối mềm, thiết bị biến đổi
năng lượng, các thiết bị đo lường, bộ điều chỉnh được quan tâm nhiều. Trong đó điều khiển
tốc độ cho truyền động động cơ KĐB với phụ tải có khớp nối mềm đã và đang trở thành sự
lựa chọn thú vị và quan tâm đặc biệt trong vấn đề điều khiển. Bởi vì đối với mô hình động học
động cơ KĐB là hệ đa biến, có tính phi tuyến và xen kênh, điện trở rotor thay đổi theo nhiệt
độ trong quá trình vận hành làm ảnh hưởng đến mô hình động học của hệ thống [1], [2], [3] và
[4]. Hay trong điều khiển tốc độ động cơ thì các biến tần công nghiệp thường điều khiển hệ
truyền động động cơ KĐB với cấu trúc FOC đều có mạch vòng dòng stator, tốc độ là bộ điều
khiển tuyến tính PI. Bộ điều chỉnh PI chỉ làm việc tốt khi mô-men tải không thay đổi, hay
không yêu cầu cao về chất lượng điều khiển như độ chính xác…., vì vậy cần thiết kế điều
khiển phi tuyến cho các mạch vòng điều chỉnh. Bên cạnh đó vấn đề không cứng vững của
khớp nối động cơ với phụ tải, khác nhau giữa tốc độ cũng như vị trí của tải và động cơ làm
xuất hiện mô-men xoắn trên các trục, làm xuất hiện dao động cộng hưởng cơ học trong quá
trình hoạt động, gây ra giảm chất lượng truyền động [55], [64] và [70]. Chính các yếu tố thử

thách này làm cho điều khiển hệ truyền động động cơ KĐB ghép với tải qua khớp đặc thù
(khớp nối cứng, khớp nối mềm) trở thành sự lựa chọn thú vị và quan tâm đặc biệt của các nhà
khoa học.
Trong những năm gần đây thường gặp các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động
KĐB như V/f, DTC, FOC trong nghiên cứu lý thuyết hay thực tiễn. Mỗi phương pháp điều
khiển đều có đặc điểm riêng để người thiết kế lựa chọn phương pháp điều khiển, sao cho đáp
ứng đúng với yêu cầu công nghệ [52]. Trong đó phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor
hay còn goi là FOC được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, bởi vì FOC điều khiển động
cơ xoay chiều 3 pha như động cơ MCKTĐ, có cấu trúc phân tầng điều khiển với vòng trong
điều khiển mô-men và vòng ngoài điều khiển tốc độ. Với bài toán điều chỉnh các mạch vòng
đảm bảo chất lượng truyền động điện, thì các phương pháp thiết kế điều khiển tuyến tính và
phi tuyến đã và đang áp dụng thiết kế phổ biến cho hệ truyền động KĐB. Trong đó bộ điều
14


chỉnh tuyến tính PI thường được sử dụng hiện nay sẽ có những nhược điểm là chỉ đạt hiệu quả
tốt nhất ở quanh điểm làm việc cân bằng mà khi thiết kế lựa chọn. Như vậy khi vùng làm việc
rộng, chế độ động khắc nghiệt (tải thay đổi mạnh hoặc có dạng xung) thì chắc chắn đáp ứng
động học, chất lượng truyền động điện sẽ bị suy giảm [5]. Gần đây các phương pháp phi tuyến
được quan tâm áp dụng, bởi vì các hạn chế về khối lượng và thời gian tính toán đã được sự
phát triển mạnh mẽ về phần cứng (các vi điều khiển, DSP, FPGA) dỡ bỏ. Các bộ điều chỉnh
phi tuyến sẽ đảm bảo tính ổn định của hệ thống không phụ thuộc vào điểm làm việc, về chất
lượng như sai lệch bám có thể được giảm thiểu nhờ kết hợp với các bộ điều chỉnh PI tuyến
tính với những quỹ đạo trạng thái được thiết kế một cách phù hợp [1], [2] và [75]. Tuy có
nhiều công trình nghiên cứu về thiết kế điều khiển tuyến tính, phi tuyến cho mạch dòng stator,
tốc độ và từ thông, nhưng chưa vận dụng bộ tiêu chí đánh giá chất lượng hệ truyền động KĐB
phải phù hợp với yêu cầu điều khiển mô-men, tốc độ. Bên cạnh đó nhận thấy chưa có một
công trình nào đánh giá và so sánh các phương pháp điều khiển này, để chỉ ra ứng dụng cho
phù hợp. Chính nhận thức này luận án tập trung nghiên cứu tổng hợp, đánh giá và hoàn thiện
hệ điều khiển truyền động KĐB làm việc theo nguyên lý tựa từ thông rotor, ứng dụng các

phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến thiết kế cho các mạch vòng điều chỉnh, đánh giá
hiệu qủa các bộ điều khiển đến chất lượng hệ truyền động, từ đó đưa ra cấu trúc phù hợp điều
khiển cho truyền động động cơ KĐB ghép với tải qua khớp nối mềm.
Để đạt được mục đích nghiên cứu đầu tiên phải tổng quát các phương pháp, cấu trúc
điều khiển và đánh giá những vấn đề còn tồn tại, từ đó đưa ra đề xuất giải pháp hoàn thiện
mạch vòng dòng stator, tốc độ và đề xuất cấu trúc điều khiển phù hợp cho truyền động động
cơ KĐB ghép với tải qua khớp nối mềm, khi kết hợp hai mạch vòng điều khiển (mô-men và
tốc độ). Kết quả nghiên cứu tính đúng đắn của lý thuyết được minh chứng qua mô phỏng offline, thời gian thực HIL và thực nghiệm.

1.2 Tổng quan về điều khiển hệ truyền động KĐB
1.2.1 Tổng quan các phương pháp điều khiển hệ truyền động KĐB
Các phương pháp điều khiển hệ truyền động KĐB được hệ thống hóa như Hình 1.1
Qua Hình 1.1 nhận thấy hệ truyền động không đồng bộ có thể là hệ scalar, dựa trên các
đặc tính của quá trình xác lập nên gặp khó khăn khi đảm bảo các các quá trình động học [8] và
[9]. Hệ điều khiển vector, dựa trên các quá trình tức thời theo thời gian nên có thể kiểm soát
hiệu quả các quá trình động học phức tạp. Hệ điều khiển vector có thể là hệ điều khiển trực
tiếp mô men (DTC) được thực hiện bằng cách tác động trực tiếp vector us thông qua việc
đóng cắt các van IGBT của nghịch lưu cấp điện cho động cơ, tuy nhiên điều khiển DTC gặp
phải một số khó khăn như cơ sở lý luận trong việc lựa chọn bằng đóng cắt, mô-men và từ
thông đập mạch (đặc biệt vùng tốc độ thấp), tần số chuyển mạch các van liên tục thay đổi và
nghịch lưu đòi hỏi sử dụng các van có tần số đóng cắt lớn [6]. Thực tế trên thế giới cũng xuất
hiện những nghiên cứu khắc phục những vấn đề nêu trên [7].
15


Các phương pháp điều khiển hệ truyền động động cơ KĐB

Điều khiển
Scalar

Điều khiển
Vector

Điều khiển
trực tiếp
mô-men (DTC)

Điều khiển V/f

Điều
tựatừtừ
Điều khiển
khiển tựa
thông
rotor
(FOC)
thông
(FOC)

Tựa từ thông
stator

Hình 1.1

Tựa từ thông rotor

Các phương pháp điều khiển hệ truyền động động cơ KĐB

Với hệ truyền động điều khiển vector làm việc theo nguyên lý tựa từ thông rotor (FOC), là
nguyên lý điều khiển vật lý được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống truyền động XC3P

hiện đại. Đến nay, truyền động XC3P với nguyên lý nền tảng là FOC đã đạt đến mức độ gần
như hoàn thiện. Về mặt nghiên cứu lý thuyết, nguyên lý này tạo ra một công cụ cho phép nhìn
nhận các động cơ XC3P có cùng bản chất vật lí (tạo từ thông và mô-men quay) với động cơ
MCKTĐL, nhờ vậy kế thừa được các thành tựu của truyền động điện một chiều [1], [3], [5],
[8] và [78]. Có thể nói FOC vẽ ra một bức tranh tổng quan về mặt cấu trúc phân tầng điều
khiển khi tiếp cận với một hệ truyền động, chuyển động sử dụng máy điện xoay chiều ba pha.
Trên cơ sở đó, người thiết kế tương đối thoải mái trong việc lựa chọn một luật điều khiển chi
tiết để giải quyết bài toán bám cho từng mạch vòng. Cấu trúc FOC phù hợp với bản chất vật lý
của máy điện, trong khi các phương pháp điều khiển đảm bảo sự ổn định cho hệ thống về mặt
toán học. Sự kết hợp đó giúp cho FOC sở hữu ưu thế vượt trội so với các phương pháp khác
về chất lượng điều khiển, rõ nét nhất là chỉ tiêu sóng hài trong mô-men quay. Trên thực tế
phương pháp điều khiển FOC là đạt được tỷ trọng đáng kể trong các sản phẩm thương mại,
đặc biệt là trong truyền động điện servo [1] và [4]. Với tính hiệu quả và linh hoạt như vậy,
FOC dành được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu lý thuyết cũng như người làm ứng
dụng.
16


Cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor - FOC như Hình 1.2
Inverter
usα
usβ

usd

PI

usq

-

tu
tv
tw
SVM

PI
-

MHTT
và ước
lượng
tải

isd

isα

isq

isβ 2

3

isu
isv
isw

IM
Đo tốc độ

IE

Hình 1.2

Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor (FOC)

Hình 1.2 thể hiện cấu trúc điều khiển phân tầng đã khá quen thuộc cho ĐCKĐB-RLS. Ở
đó, 2 thành phần dòng điện stator (là những đối tượng có động học nhanh) được điều chỉnh ở
vòng trong cùng, các đại lượng tốc độ quay và từ thông rotor có động học chậm hơn được
điều chỉnh ở vòng bên ngoài. Bộ điều khiển dòng stator cũng như trường hợp ĐCMCKTĐL
phải đảm bảo yêu cầu nhanh và chính xác. Ngoài ra, đối với động cơ XC3P do có sự tương tác
giữa 2 thành phần dòng điện cần phải bổ sung thêm yêu cầu tách kênh để loại bỏ sự tương tác
này. Bên cạnh đó phương pháp điều khiển FOC có dải biên tần mô-men nhỏ, độ bền vững
truyền động tốt hơn so với DTC, nhưng đáp ứng động học chậm hơn so với DTC [52].
Qua nhận định trên, luận án “sẽ tập trung nghiên cứu nghiên cứu tổng hợp, thiết kế các
cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor (FOC) cho truyền động động cơ KĐB ghép với tải qua
khớp nối điển hình”.

1.2.2 Tổng quan các phương pháp điểu khiển mạch vòng điều chỉnh
Một hệ truyền động động cơ KĐB điều khiển FOC được điều khiển phần tầng như vòng
trong là điều khiển mô-men (dòng stator); vòng ngoài bao gồm từ thông, tốc độ và vị trí. Để
các bộ ĐK này đảm bảo đúng yêu cầu nhanh, chính xác và tính bền vững hệ thống tốt, thì
trong nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn thường hay sử dụng các phương pháp điều khiển tuyến
tính, phi tuyến trong thiết kế các bộ điều chỉnh. Vì vậy ta có hệ thống hóa các phương pháp
ĐK tuyến tính, phi tuyến, dự báo...điều khiển các mạch vòng điều chỉnh được thể hiện qua
Hình 1.3.

17

Các phương pháp điều khiển mạch vòng hệ truyền động động cơ KĐB

Phương pháp điều khiển dự
báo (MPC)

Phương pháp điều khiển
phi tuyến

Phương pháp điều khiển
tuyến tính

Bộ điều khiển PI

Phương pháp ĐK
tuyến tính hóa chính
xác

Bộ điều khiển
deadbeat

Phương pháp ĐK tựa
phẳng

Bộ điều khiển ADRC

Phương pháp ĐK
cuốn chiếu

Phản hồi trạng thái
LQR

Phương pháp ĐK tựa
thụ động

Điều khiển dự báo
CCS-MPC

Bộ điều khiển dự báo
FCS-MPC

Điều khiển dự báo
mô-men (PTC)

Điều khiển dự báo
dòng điện (PCC)

Phương pháp ĐK
trượt

Bộ điều khiển mờ
nơron

Hình 1.3

Phương pháp điều khiển các mạch vòng hệ truyền động động cơ KĐB

*. Các phương pháp điều khiển tuyến tính
+ Các phương pháp tuyến tính trong đó thường được sử dụng là bộ điều khiển PI. Bộ
điều khiển này có ưu điểm thiết kế đơn giản, ít phụ thuộc vào tham số động cơ và đáp ứng
nhanh. Tuy nhiên bộ điều khiển PI có những nhược điểm là chỉ đạt hiệu quả tốt nhất ở quanh

điểm làm việc cân bằng mà khi thiết kế lựa chọn. Như vậy khi hệ truyền động tại vùng làm
việc rộng, chế độ động khắc nghiệt (tải thay đổi mạnh hoặc có dạng xung) thì chắc chắn đáp
ứng động học và chất lượng truyền động điện sẽ bị suy giảm [8], [9] và [76].
Theo tài liệu [56], [58], [59], [60], [61], [72] và [86] sử dụng các bộ điều khiển truyền
thống để giảm hiện tưởng dao động cộng hưởng cho hệ truyền động ghép với tải qua khớp nối
mềm, như bộ điều khiển PI, PID, I-P, I-PD, PID-P đã đưa hệ thống nhanh chóng trở lại trạng
thái cân bằng, kể cả khi nhiễu tải. Các bộ điều khiển này thì việc xác định thông số của bộ
điều khiển quyết định chất lượng của hệ, đồng thời các bộ điều khiển truyền thống dễ dàng áp
dụng trong thực tế, vì trong công nghiệp hầu hết là các hệ truyền động chỉ đòi hỏi chủ yếu là
làm giảm dao động cơ học cho hệ, nâng cao tuổi thọ cho các khớp nối, còn độ chính xác điều
chỉnh và độ tác động nhanh chỉ cần ở mức độ không cao. Nhưng với những hệ truyền động
đòi hỏi chất lượng cao hay hệ truyền động ghép với tải qua khớp nối mềm có tính phi tuyến,
thì trong quá trình điều khiển hệ thống có nhiều tham số thay đổi vì vậy khó đảm bảo chất
lượng mong muốn nếu chỉ dùng các bộ điều khiển truyền thống.
18


+ Bộ điều khiển deadbeat truyền thống hay còn gọi là bộ ĐK bù thì luôn ưu tiên hàng
đầu tốc độ đáp ứng hữu hạn. Bộ ĐK deadbeat truyền thống có đặc điểm dẫn dắt biến ra theo
một quỹ đạo thời gian do người thiết kế xác định, sao cho giá trị thực đuổi kịp và bám giá trị
đặt sau một lượng hữu hạn N chu kỳ trích mẫu. Phương pháp này không phù hợp với đối
tượng chậm (điểm cực ở lân cận đường tròn đơn vị, xa gốc tọa độ), bởi vì hàm truyền đạt của
hệ kín GW(z-1) được chọn phụ thuộc hoàn toàn vào “dạng quỹ đạo của biến ra”, nghĩa là độc
lập với hàm truyền đối tượng GS(z-1), nên có thể xảy ra trường hợp trong bộ điều khiể GR(z-1)
có thnành phần GW(z-1)/ [1- GW(z-1)] không bù được chính xác các điểm cực hoặc điểm không
của GS (z-1). Tuy nhiên, vì đối tượng dòng stator là đối tượng có quán tính nhỏ (điểm cực ở
gần gốc tọa độ) nên bộ điều khiển deadbeat truyền thống vẫn được áp dụng trong nghiên cứu
lý thuyết và thực tiễn [1], [4], [11], [12], [13], [53] và [54].
+ Bộ điều khiển tuyến tính Active Disturbance Rejection Control (ADRC) là bộ điều
khiển ADRC kết hợp với bộ quan sát ESO (Extended State Observer) để ước lượng nhiễu và

sai số mô hình. Vì vậy mô hình của hệ thống được mở rộng với một biến trạng thái mới, trong
đó bao gồm tất cả các động học chưa rõ và rối loạn còn sót lại không được chú ý trong mô tả
đối tượng thông thường. Việc ước tính trực tuyến của trạng thái mới này được thực hiện bằng
cách sử dụng bộ quan sát trạng thái mở rộng. Bộ quan sát này có nhiệm vụ theo dõi và ước
lượng các nhiễu tác động trực tiếp, các sai số của việc mô hình hóa đối tượng so với thực tế.
Bằng cách đó, mặc dù chỉ có một mô hình với độ chính xác không cao, thì vẫn có thể thiết kế
được một bộ điều khiển có chất lượng tốt, mạnh mẽ chống lại các biến động cho đối tượng
thực tế, do đó gián tiếp giúp đơn giản hoá mô hình. Bộ điều khiển tuyến tính ADRC khắc
phục được nhược điểm của bộ điều khiển PID hay PI là khắc phục được hiện tượng bão hòa
tích phân, tích cực loại bỏ nhiễu và bộ điều khiển ít phụ thuộc vào thông số động cơ. Vì vậy
bộ điều khiển này hứa hẹn phát triển trong tương lai [66] và [67].
+ Bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQR chỉ cần đo được tốc độ và dòng điện pha là
đã tổng hợp được hệ có chất lượng cao, điều này có khả năng áp dụng trong thực tế rất tốt. Bộ
điều khiển này ứng dụng cho lớp đối tượng là các hệ truyền động khớp mềm coi hệ là tuyến
tính, không những đòi hỏi giảm được dao động trong hệ thống mà còn đạt được độ chính xác
cao về chất lượng điều khiển trong toàn dải điều chỉnh. Thực tế, hệ truyền động khớp mềm là
một hệ phi tuyến, đặc biệt là tính phi tuyến của khớp mềm, vì vậy cần nghiên cứu hệ một cách
đầy đủ hơn với việc kể tới tính phi tuyến của khớp mềm [62], [63], [64] và [65].
*. Các phương pháp điều khiển phi tuyến
+ Phương pháp tuyến tính hóa chính xác (exact linearization) sử dụng phản hồi trạng
thái để chuyển hệ phương trình dòng điện phi tuyến sang quan hệ tuyến tính vào - ra, từ đó có
thể áp dụng các bộ điều chỉnh tuyến tính thông thường. Phương pháp này phải đo lường đầy
đủ các trạng thái cần thiết, loại bỏ chính xác thành phần phi tuyến và thiết kế bộ điều khiển
riêng rẽ cho mức từ thông rotor. Nếu phép đo không chính xác, sẽ có thể dẫn đến vấn đề mất
bền vững nghiêm trọng [14], [15], [16], [17] và [75]. Nhưng ngày nay với sự phát triển lý
thuyết điều khiển và kỹ thuật điều khiển số, phương pháp điều khiển TTHCX được cải thiện ít

19

phụ thuộc vào tham số động cơ, kết cấu cơ khí trục nối, mô-men cản, đáp ứng chất lượng
truyền động chất lượng cao [82] và [83].
+ Phương pháp điều khiển tựa phẳng (flatness) với tính chất đặc trưng của các hệ
phẳng là luôn tồn tại tập biến phẳng y = (y1, y2,…,ym), mà thông qua y và các đạo hàm của y,
toàn bộ các biến trạng thái và đầu vào có thể được xác định. Có nghĩa người ta có thể tính toán
trước quỹ đạo (trajectory) của đầu vào từ quỹ đạo mong muốn của đầu ra phẳng. Với đặc điểm
các biến trong tập đầu ra phẳng chính là các giá trị cần điều khiển chính của bài toán. Ý nghĩa
vật lý kỹ thuật được thể hiện rõ ràng, ta sẽ đưa trực tiếp các tín hiệu đầu ra mong muốn này về
làm giá trị đặt (reference) đầu vào, dẫn tới một cấu trúc điều khiển mà giá trị cần điều khiển
của hệ lại là đầu vào điều khiển, gọi là cấu trúc điều khiển ngược, hay mô hình ngược. Tuy
nhiên bài toán thiết lập quỹ đạo cần xét đến giới hạn các biến điều khiển là rất cần thiết, do
vậy bài toán thiết kế sẽ trở nên phức tạp nếu hệ bậc mô hình trạng thái cao [18], [19], [20] và
[75].
Bên cạnh đó phương pháp điều khiển tựa phẳng cho điều khiển tốc độ tại hệ truyền
động động cơ ghép nối mềm với phụ tải [71] cho thấy phương pháp điều khiển này ứng dụng
cho điều khiển tốc độ cho hệ hai khâu quán tính khớp nối mềm, hệ truyền động này bao gồm
biến tần, bộ điều khiển dòng điện động cơ IM. Chuyển đổi mô hình trạng thái của hệ truyền
động này thành các bộ điều khiển được thể hiện dưới dạng đạo hàm của phương pháp tựa
phẳng dựa bộ điều khiển truyền thẳng (feedforward). Các mô hình trạng thái được dùng để
thiết lập quỹ đạo đặt. Các điều kiện giới hạn được đưa vào trong việc thiết kế quỹ đạo đặt. Kết
quả mô phỏng cho thấy nếu mô hình toán học và các tham số của hệ chính xác thì chỉ cần bộ
điều khiển feedforward, tuy nhiên trong thực tế mô hình toán và các tham số của hệ không
chính xác cần bổ sung thêm bộ điều khiển feedback. Bên cạnh đó nhận thấy rằng phương pháp
tựa phẳng cho kết quả giảm dao động cộng hưởng, quá điều chỉnh và thời gian xác lập tốt hơn
bộ điều khiển PI. Do tách được nhiễu và phản ứng với nhiễu nên bộ điều khiển phản hồi có
thể được điều chỉnh với nhiễu, dẫn đến loại bỏ nhiễu nhanh hơn.
+ Phương pháp điều khiển cuốn chiếu (backstepping), thiết kế điều khiển đảm bảo sai
lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực theo tiêu chuẩn Lyapunov, hệ kín ổn định toàn cục theo tiêu
chuẩn Lyapunov, nên đáp ứng động học chậm. Bên cạnh đó nếu hệ có bậc mô hình càng lớn
thì việc thiết kế cuốn chiếu sẽ phức tạp, song ngày nay với sự phát triển của vi điều khiển, kỹ

thuật điều khiển số… thì vấn đề này được giải quyết [21], [22], [23], [24] và [75].
Bên cạnh đó, phương pháp điều khiển backstepping cho điều khiển tốc độ tại hệ truyền
động động cơ ghép với tải qua khớp nối mềm [73] cho thấy có thể áp dụng được cho điều
khiển tốc độ hệ truyền động này, thiết kế bộ điều khiển không phức tạp, cho phép ta tính dần
qua một số bước bộ điều khiển phản hồi làm hệ kín ổn định theo Lyapunov. Ở mỗi bước ta lựa
chọn biến điều khiển ảo và thiết kế các luật điều khiển trung gian, còn gọi là các hàm ổn định
cho biến điều khiển ảo, nhằm ổn định hệ con của hệ ban đầu. Kết quả cho thấy kiểm soát tốt
dao động cộng hưởng và tốc độ tải thực bám sát với tốc độ thực động cơ.
+ Phương pháp điều khiển tựa thụ động là thuật toán điều khiển mà nguyên lý của nó
dựa trên đặc điểm thụ động của đối tượng (hệ hở) với mục tiêu làm cho hệ kín cũng là hệ thụ
20


động với hàm lưu giữ năng lượng mong muốn. Một hệ thụ động cũng ổn định theo Lyapunov,
nhưng rộng hơn còn cho thấy ảnh hưởng của tín hiệu vào u và ra y tới chất lượng động học hệ
thống thông qua quỹ đạo trạng thái x của hệ. Trong các bài toán điều khiển những đối tượng
có tính động học cao, ví dụ trong các hệ thống điện hoặc cơ điện thì việc thiết kế bộ điều
khiển tựa thụ động chỉ đơn thuần là thay đổi thế năng hoặc năng lượng tiêu thụ nhiều khi
không đem lại đáp ứng đầu ra mong muốn, vì thế để đạt được đáp ứng mong muốn thì cần tác
động đến cả động năng của hệ thống [25], [26], [27] và [28].
+ Phương pháp điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến đơn giản.
Để thiết kế thành phần điều khiển trượt cần phải biết rõ các thông số của mô hình đối tượng,
cũng như các điều kiện chặn trên của các thành phần bất định của mô hình. Điều khiển trượt
có dạng hàm dấu và có hiện tượng rung (chattering) trong hệ thống. Đây là một hiệu ứng nguy
hiểm và là nguyên nhân làm giảm tuổi thọ nhiều thiết bị trong hệ thống. Tuy nhiên những năm
gần đây đã có nghiên cứu giải pháp chống rung, cũng đã thu được kết quả ứng dụng mang tính
thực tế [29], [30], [31], [32] và [57].
+ Điều khiển mờ nơron thì đã ứng dụng giảm dao động cộng hưởng cho hệ truyền
động máy cán thép. Tài liệu [68] và [69] cho thấy rằng tiếp cận này hiệu quả so với phương
pháp điều khiển tuyến tính, hơn nữa đã hoàn thiện tính toán ảnh hưởng của dao động cộng

hưởng.
+ Điều khiển thích nghi đã ứng dụng để cải thiện chất lượng truyền động với khớp nối
mềm. Điều khiển thích nghi gồm có điều khiển thích nghi kiểu gián tiếp, nguyên lý này được
thực hiện dựa trên ứng dụng nhận dạng trực tiếp. Trong đó điều khiển thích nghi kiểu trực
tiếp, nguyên lý thực hiện ngược với thích nghi gián tiếp và thiếu quá trình nhận dạng. Cả hai
bộ điều khiển này được điều chỉnh theo luật điều khiển thích nghi dựa trên giá trị thực đo về.
Bộ điều khiển phi tuyến thích nghi cho chất lượng điều khiển cao đó là tốc độ tải bám sát với
tốc độ động cơ, dao động cộng hưởng được giảm gần như không có, tuy nhiên do thiết kế
phức tạp vì vậy có thể ứng dụng khi hệ có bộ điều khiển được lập trình và được tính toán với
tốc độ đủ lớn. Vấn đề này ngày nay với sự phát triển của vi điều khiển, kỹ thuật điều khiển
số… thì đã được giải quyết [74]. Cấu trúc điều khiển thích nghi kết hợp với bộ điều khiển tốc
độ PI kiểu mờ nơron được đề xuất trong tài liệu [70], cho thấy biên độ mô-men tốt và lấy
được dao động tốc độ tải. Tuy nhiên trong hệ truyền động các tham số thay đổi hoặc lựa chọn
không phù hợp với luật điều khiển thích nghi, thì các đặc tính điều chỉnh khác nhau cho tốc độ
đặt không tối ưu, lúc này bộ điều khiển PI kiểu mờ nơron sẽ tham gia vào, dẫn đến bộ điều
khiển hệ truyền động bị nhiều số lượng.
* Phương pháp điều khiển dự báo (MPC): phương pháp điều khiển dự báo với nguyên lý
cơ bản là dựa vào mô hình trạng thái, quá trình trễ, tối ưu hóa hàm mục tiêu và cùng với lý
thuyết điều khiển dự báo để tối ưu giá trị [36]. MPC có ưu điểm là khái niệm trực quan, thiết
kế đơn giản và phù hợp với đối tượng phi tuyến [37]. Những năm 1980 MPC được giới thiệu
ứng dụng trong điện tử công suất [38] và [39]. Ngày nay MPC trở thành một phương pháp
điều khiển phổ biến với hai phương pháp đó là dự báo MPC trên miền liên tục (CCS- MPC)
và dự báo trên tập hợp hữu hạn (FCS-MPC). Trong đó CCS-MPC yêu cầu mô hình trạng thái
21


và thuật toán ĐK phức tạp, còn FCS-MPC được nghiên cứu nhiều hơn, bởi vì phù hợp cho
điều khiển phi tuyến, các điều kiện ràng buộc phi tuyến (bảo vệ quá điện áp, giảm tối thiểu tổn
thất quá trình chuyển mạch của các van bán dẫn) và tối ưu hệ truyền động điện [40]. FCSMPC có hai phương pháp ĐK dự báo chính đó là ĐK dự báo mô-men (PTC) và dự báo dòng
điện (PCC). Với bộ điều khiển PTC có tối ưu hàm mục tiêu là sai lệch của mô-men và từ

thông, còn bộ điều khiển PCC là sai lệch dòng điện. Trong cấu trúc FCS-MPC mỗi vector
chuyển mạch được lựa chọn trong quá trình tính toán của tối ưu hàm mục tiêu, dẫn đến tối ưu
tín hiệu đầu ra. FCS-MPC được ứng dụng thành công trong điện tử công suất, bao gồm bộ
biến đổi DC-DC, DC-AC, AC-DC, và AC-AC [33], [41], [42], [43] và [51] Đối với hệ thống
truyền động điện thì MPC đã được ứng dụng rộng rãi cho máy điện xoay chiều, trong đó là
động cơ KĐB-RLS [34], [35] và [44] hay như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu [45], hay
như với động cơ nhiều pha [46], bên cạnh đó MPC có thể sử dụng ở cấu trúc điều khiển không
cảm biến [47]. Tài liệu [48] và [49] cho biết các phương pháp điều khiển dự báo phải có chu
kỳ trích mẫu lớn để đạt hiệu quả tốt. Để khắc phục nhược điểm này thường sử dụng phương
pháp điều khiển chu kỳ trích mẫu hay dự đoán nhiều trạng thái. Cách dự báo nhiều trạng thái
có thể làm giảm tần số chuyển mạch điện tử công suất đáng kế, mà không ảnh hưởng đến ổn
định trạng thái và hiệu suất trạng thái đáp ứng tốt hơn với tần số chuyển mạch tương ứng. Và
để phát huy hết khả năng dự đoán nhiều trạng thái, thì sử dụng biến tần đa mức là sự lựa chọn
đúng đắn, vấn đề này sẽ được tiếp tục nghiên cứu [89].
Qua đó nhận thấy rằng có rất nhiều phương pháp điều khiển cho các vòng điều chỉnh.
Để thực hiện hóa nghiên cứu, tổng hợp, thiết kế bộ điều khiển mô-men, tốc độ phù hợp với
tiêu chí đánh giá, yêu cầu công nghệ thực tiễn, vì vậy trong nghiên cứu tác giả sẽ lựa chọn các
phương pháp điều khiển trên, sao cho phù hợp với từng yêu cầu từng mạch vòng điều khiển,
đảm bảo tiêu chí đánh giá của từng mạch vòng điều khiển và hiện thực hóa xuống thiết bị
thực. Bên cạnh đó đề xuất được cấu trúc điều khiển vector truyền động động cơ KĐB ghép
với phụ tải qua khớp nối điển hình (khớp nối cứng và khớp nối mềm).

1.3 Tiêu chí đánh giá chất lượng điều khiển hệ truyền động KĐB
Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động điện cần phải đảm bảo hệ truyền động phải thực
hiện được tất cả các yêu cầu đặt ra, đó là yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lượng, các
yêu cầu về kinh tế. Trong đó yêu cầu chất lượng truyền động điện được thể hiện qua trạng thái
quá độ và xác lập của hệ truyền động. Đối với trạng thái quá độ thì yêu cầu độ quá điều chỉnh,
thời gian xác lập và số lần dao động và trạng thái xác lập yêu cầu về sai lệch tĩnh, độ bền vững
hệ thống [50], [82], [83] và [87]. Từ đó nhận thấy rằng, yếu tố ảnh hưởng lớn đến chất lượng
hệ truyền động điện đó là các hệ điều chỉnh tự động truyền động, cấu trúc điều khiển, luật điều

khiển và tham số của các bộ điều khiển. Vì vậy khi thiết kế hệ truyền động ta phải thực hiện
các bài toán thiết kế sao cho đáp ứng động học và chất lượng truyền động thỏa mãn yêu cầu
kỹ thuật đặt ra. Để giải quyết vấn đề này thì phải dựa vào tiêu chí đánh giá bộ điều khiển mômen (thông qua bộ điều khiển dòng stator) và tốc độ. Các tiêu chí đánh giá cho các bộ điều
khiển được tổng quát hóa qua Hình 1.4.
22


Tiêu chí đánh giá chất lượng điều khiện hệ truyền động KĐB

Tiêu chí đánh giá bộ điều khiển mô-men
(thông qua bộ điều khiển dòng stator)
(A)

Tiêu chí đánh giá bộ điều khiển tốc độ
(B)

Thời gian xác lập nhanh

Thời gian xác lập nhanh

Độ quá điều chỉnh nhỏ

Độ quá điều chỉnh nhỏ

Sai lệch tĩnh nhỏ

Sai lệch tĩnh nhỏ

Độ bền vững hệ thống

Độ đập mạch mô-men nhỏ

Cách ly tác động giữa hai TP
dòng ở chế động: động&tĩnh

Độ bền vững hệ thống

Tổng méo sóng hài dòng điện
THD%

Hình 1.4

Tiêu chí đánh giá chất lượng điều khiển hệ truyền động KĐB

Qua Hình 1.4 nhận thấy rằng chất lượng điều khiển truyền động KĐB thể hiện qua hai
chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng đó là độ ổn định và độ chính xác điều chỉnh. Độ chính xác được
đánh giá trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh, các sai lệch này phụ thuộc vào nhiều yếu
tố như sự biến thiến của giá trị đặt, gây nên các lệch trong quá trình quá độ và xác lập. Hay
các khiếm khuyết của các phần tử trong hệ thống như ma sát tĩnh, khe hở… thường gây nên
sai lệch trong chế độ xác lập. Trên cơ sở phân tích hợp nâng cao độ điều chỉnh ta có thể chọn
được các bộ điều chỉnh, các mạch bù thích hợp để nâng cao độ chính xác hệ thống.
Vậy để tính được sai lệch thì cần dựa vào tiêu chuẩn để đánh giá [10], [50] và [88] như
sau:
+ Tiêu chuẩn tích phân bình phương (ISE), có nghĩa hệ thống tối ưu là hệ thống làm
cho tích phân này cực tiểu. Có thể áp dụng tiêu chuẩn ISE cho loại tín hiệu vào đã xác định
như nhảy cấp đơn vị, xác định theo phương pháp thống kê. Tiêu chuẩn ISE đánh giá các sai
lệch lớn và không nên dùng tiêu chuẩn này trong một số trường hợp như bậc hai.


J min   e 2 (t )dt

(1.1)

0

23


+ Tiêu chuẩn ITAE hệ thống tự động điều chỉnh là tối ưu nếu nó làm cực tiểu tích
phân như (1.4):


 t. e(t ) dt

(1.2)

0

Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu còn sai lệch sau, xuất hiện
trong cả quá trình quá độ thì bị đánh giá rất nặng. Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn này
sẽ có đáp ứng có độ quá điều chỉnh nhỏ, khả năng làm suy giảm nhanh các dao động trong quá
trình điều chỉnh. Việc tính toán bằng giải tích tích phân (1.1) là khó khăn, tuy nhiên có thể đo
lường thực nghiệm một cách dễ dàng.
+ Tiêu chuẩn ITSE là tiêu chuẩn tích phân của tích bình phương sai lệch và thời gian
như (1.3):


J min   te 2 (t )dt

(1.3)

0

+ Tiêu chuẩn ISE có hàm tối thiểu J min là giá trị trung bình của sai lệch trong thời gian
đáp ứng, như vậy giai đoạn gia tốc (0-Ta) có sai lệch lớn nên chiếm tỷ lệ lớn nhất. Vì vậy áp
dụng tiêu chuẩn tối ưu này để thiết kế điều khiển, hệ sẽ có thời gian gia tốc nhanh nhất, nhưng
lại không chú ý tới thời gian điều chỉnh.
+ Tiêu chuẩn ITEA và ITSE có hàm tối thiểu J min đánh giá thêm về thời gian tồn tại
sai lệch. Giai đoạn gia tốc (0-Ta) có sai lệch lớn nhưng thời gian nhỏ, ngược lại khi sai lệch
nhỏ có thời gian từ Ta  Tr lớn. Nên hai tiêu chuẩn này lại quan tâm nhiều tới thời gian điều
chỉnh và cực tiểu hóa các dao động.
Qua nhận định trên để đánh giá chất lượng hệ truyền động thường dùng tiêu chuẩn
ITAE, bởi vì tiêu chuẩn này sẽ được cụ thể hóa các tiêu chí đánh giá đáp ứng các mạch vòng
điều khiển như sau:
Đáp ứng của hệ điều khiển truyền động như Hình 1.5 thể hiện quá trình quá độ và xác
lập của hệ thống, có đặc điểm như sau:
*. Tiêu chí đánh giá đáp ứng động học tại trạng thái quá độ được thể hiện qua 4 tham
số như sau:
+ Thời gian gia tốc Ta là thời gian để đại lượng cần điều khiển đạt giá trị bằng lượng
đặt nhưng chưa ổn định.
y  yt
+ Lượng quá điều chỉnh lớn nhất:  max  d
% ; trong đó: yd: giá trị đặt; y là giá trị
yd
thực

+ Số lần sao động n
+ Thời gian điều chỉnh T
Theo tài liệu [10] cho biết bốn tham số của đặc tính quá độ trên có liên quan với nhau
và quyết định bởi đặc tính của đối tượng, hàm lượng đặt và tham số bộ điều chỉnh. Khi gia tốc

của hệ lớn (Ta nhỏ), sẽ gây ra quá điều chỉnh lớn và ngược lại. Khi quá điều chỉnh lớn sẽ gây
ra số lần dao động nhiều và ngược lại. Khi gia tốc lớn, quá điều chỉnh lớn số lần dao động
24


nhiều dẫn đến hệ sẽ lâu về ổn định, tức là thời gian điều chỉnh Tr dài. Vì vậy khi chỉnh định hệ
cần quan tâm tới đặc tính đối tượng, hàm lượng đặt và chọn tham số bộ điều chỉnh sao cho
phù hợp, đề hệ có quá điều chỉnh nhỏ, số lần dao động tối thiểu và thời gian điều chỉnh ngắn,
người ta gọi đó là đặc tính tối ưu.
*. Tiêu chí đánh giá đáp ứng động học tại trạng thái xác lập:
- Trạng thái xác lập thì yêu cầu độ chính xác cao hay độ sai lệch tĩnh nhỏ
yd  yt
e% 
.100% (  5% ), sai lệch tĩnh e phụ thuộc vào hai yếu tố chính là độ chính xác
yd
của thiết bị và đặc tính đối tượng, hàm lượng đặt và thiết kế điều khiển [3], [50] và [88].
- Tiêu chí đánh giá biên độ mô-men (khi mang tải) RmF% và biên độ mô-men lớn nhất
trong toàn dải vận hành (khi không tải) (mM %) . Hai chỉ số đánh giá này có giá trị như sau:
RmF %5%; mM %  (1050)% [10], [82] và [88], và được tính toán theo công thức (1.4):
RmF %  mM %  (

mmax  mmin
).100%
mmax

(1.4)

e

t

Tr

Hình 1.5

Đáp ứng của hệ điều khiển truyền động điện

*. Tiêu chí đánh giá độ bền vững hệ thống: tiêu chí đánh giá này là rất cần thiết, bởi vì
các phương pháp điều khiển tuyến tính và phi tuyến được thiết kế các bộ điều khiển dòng
stator, từ thông, tốc độ đều phụ thuộc vào thông số động cơ (điện trở rotor Rr, stator Rs và điện
cảm Lm). Vì vậy khi động cơ vận hành lâu dài, các thông số động cơ tăng lên, dẫn đến từ
thông thay đổi, mô-men và tốc độ bị giảm xuống. Tính bền vững của hệ thống được thể rất rõ
khi động cơ vận hành ở dải tốc độ thấp (150 vòng/phút trở xuống), nhận thấy tốc độ phía
stator  s lớn hơn tốc độ động cơ  , dẫn đến điểm làm việc của đặc tính cơ động cơ không
còn chính xác, hệ thống vận hành không ổn định, thậm chí không vận hành được. Chính vì
vậy cần đánh giá hệ truyền động vận hành ở dải tốc độ thấp với tải đặc thù, để đánh giá tính
bền vững hệ thống khi bị tác động các thông số động cơ tăng lên hay không chính xác giữa
tính toán và thực tiễn [3] và [88].

1.4 Tình hình và định hướng nghiên cứu trong và ngoài nước
Qua các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước sử các phương pháp điều khiển
tuyến tính cho hệ truyền động KĐB như sử dụng bộ điều khiển PI [76], deadbeat truyền thống
25