Luận án: Cấu trúc điều khiển phi tuyến kết hợp Backstepping và cổng Hamiltonian cho hệ truyền động không cảm biến tốc độ SPIM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH PHẠM THÚY NGỌC ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SÁU PHA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH- 2019 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH PHẠM THÚY NGỌC ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SÁU PHA Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá Mã số: 9520216 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.

NGUYỄN HỮU KHƯƠNG TS. TRẦN THANH VŨ TP. HỒ CHÍ MINH- 2019 luan an I LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài: “Điều khiển thích nghi hệ truyền động động cơ không đồng bộ sáu pha” là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào.

Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2019 Nghiên cứu sinh Phạm Thúy Ngọc luan an II LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những người Thầy của tôi: PGS.TS Nguyễn Hữu Khương, TS. Trần Thanh Vũ – Cùng những Thầy trong Hội Đồng Khoa Học Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh vì sự tận tâm đã dành thời gian hướng dẫn và cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu giúp tôi hoàn thành tốt luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện đào tạo sau đại học, Khoa Điện_ĐTVT, cùng các phòng ban chức năng đã tạo điện kiện hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập tại trường.

Tôi xin cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, lãnh đạo và các đồng nghiệp của tôi tại Khoa Công Nghệ Điện Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, các nhà khoa học, các chuyên gia đã cho tôi những ý kiến đóng góp giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn tới Bố, Mẹ của tôi, những người đã luôn hy sinh thầm lặng và luôn dành tình yêu thương cho tôi, tới gia đình nhỏ, chồng và hai con gái thân yêu của tôi, những người luôn tin tưởng, động viên tôi giúp tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời tri ân tới một người bạn lớn, một người Thầy, người đã luôn đồng hành, chia sẻ những khó khăn cùng tôi, người mà thái độ làm việc, nghiên cứu khoa học nghiêm túc và đạo đức sống mẫu mực là tấm gương để tôi phấn đấu noi theo, là động lực để tôi hướng tới cuộc sống tốt đẹp, cống hiến cho nghiên cứu khoa học và các hoạt động có ích cho cộng đồng. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2019 Nghiên cứu sinh Phạm Thúy Ngọc luan an III TÓM TẮT Trong những thập kỷ gần đây, việc nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển, nhận dạng trong các hệ truyền động không cảm biến tốc độ nhiều pha nói chung và động cơ không đồng bộ sáu pha không đối xứng (SPIM) nói riêng nhận được sự quan tâm rất lớn từ các nhà nghiên cứu.

Các nghiên cứu hệ truyền động SPIM cho thấy, bên cạnh những ưu điểm vượt trội so với các hệ truyền động không đồng bộ ba pha, hệ truyền động SPIM cũng phải đối mặt với những vấn đề điều khiển như trong các hệ truyền động ba pha truyền thống do tính chất phi tuyến của SPIM, thông số không chắc chắn, nhiễu tải,… Thậm chí các vấn đề về điều khiển của hệ truyền động SPIM còn phức tạp hơn do có sự gia tăng về số pha. Trong luận án này, tác giả đề xuất một cấu trúc điều khiển phi tuyến kết hợp giữa điều khiển Backstepping và điều khiển cổng Hamiltonian (BS_PCH) nhằm cải tiến chất lượng của điều khiển vector (IFOC) hệ truyền động SPIM. Bộ điều khiển tốc độ vòng ngoài của hệ truyền động SPIM được đề xuất sử dụng BS cải tiến bổ sung thêm thành phần tích phân sai số theo dõi để tăng độ chính xác và cải thiện tính bền vững của bộ điều khiển. Bộ điều khiển PCH được đề xuất cho điều khiển dòng vòng trong để tăng khả năng bám đuổi theo tham chiếu, tốc độ đáp ứng và đảm bảo tính ổn định, bền vững trước thay đổi của tham số máy điện, nhiễu tải,… Trên thực tế, như chúng ta đã biết, các bộ điều khiển không thể đảm bảo chất lượng điều khiển tốt cho điều khiển không cảm biến tốc độ hệ truyền động SPIM nếu không sử dụng các bộ quan sát trạng thái phù hợp và chính xác.

Đã có rất nhiều sự chú ý từ các nhà nghiên cứu để cải thiện chất lượng của các bộ quan sát, nâng cao chất lượng của các hệ truyền động SPIM không cảm biến tốc độ. Trong số các kỹ thuật được đề xuất, MRAS là chiến lược phổ biến nhất do việc thực hiện đơn giản và đòi hỏi nỗ lực tính toán thấp. Các bộ quan sát dựa trên MRAS được áp dụng thành công ở khu vực tốc độ trung bình và cao, tuy nhiên, hoạt động ở dải tốc độ thấp và tốc độ bằng không vẫn là một thách thức lớn. Vấn đề này liên quan đến độ nhạy thông số máy điện, sai số và nhiễu đo lường khi đo dòng và điện áp stator, các vấn đề tích phân thuần túy ,.

Do đó, luận án đưa ra đề xuất thứ hai để cải thiện chất lượng của bộ quan sát tốc độ, bộ nhận dạng từ rotor, đặc biệt là ở vùng tốc độ thấp và tốc độ gần bằng không. Trong bộ quan sát tốc độ thích nghi dựa trên mô hình tham chiếu dòng luan an IV stator cải tiến sử dụng mạng nơ ron và mô hình trượt (NNSM_SC MRAS) được đề xuất: Thứ nhất, tác giả đề xuất một bộ quan sát tốc độ dựa trên mô hình tham chiếu dòng stator (SC_MRAS), trong MRAS dòng này các thành phần dòng điện stator đo được sử dụng trực tiếp làm mô hình tham chiếu để tránh các vấn đề tích phân thuần túy và ảnh hưởng của thay đổi tham số động cơ. Mô hình thích nghi của bộ quan sát được đề xuất sử dụng mạng nơ ron tuyến tính Adaline với thuật toán LS để ước tính tốc độ rotor. Giải thuật LS đơn giản và hoàn toàn phù hợp với bài toàn ước lượng tốc độ khi hàm ước lượng trên thực tế có thể được xem như là một hàm tuyến tính.

Đề xuất này nhằm giảm nỗ lực tính toán và khắc phục một số nhược điểm gây ra do tính phi tuyến khi sử dụng giải thuật phi tuyến BPN trong các nghiên cứu đã đề xuất trước đó. Thứ hai, bộ quan sát dòng đề xuất làm việc trong chế độ dự báo thay vì chế độ mô phỏng như trong các nghiên cứu đã được công bố, dẫn đến sự hội tụ nhanh hơn của thuật toán, sai số ước lượng tốc độ thấp hơn trong cả trạng thái quá độ và xác lập. Thứ ba, bộ nhận dạng từ thông rotor để cung cấp cho mô hình thích nghi dòng và bộ điều khiển được đề xuất sử dụng SM. Bộ nhận dạng từ thông được thiết kế dựa trên các điều kiện ổn định Lyapunov.

Điện trở stator cũng được ước lượng và cập nhật online cho bộ ước lượng dòng stator và bộ điều khiển BS_PCH để giảm ảnh hưởng của thay đổi thông số máy (RS) đến quá trình ước lượng và điều khiển tốc độ. Các giải pháp này cải thiện độ chính xác và ổn định của bộ nhận dạng từ thông rotor, và do đó cải thiện độ chính xác của tốc độ ước tính, chất lượng điều khiển của hệ truyền động, đặc biệc ở tần số làm việc thấp. Cuối cùng, tác giả đề xuất sử dụng Euler điều chỉnh tăng thêm 2 biến trạng thái đầu vào để tăng độ chính xác cho bộ quan sát dòng trong mô hình thích nghi của bộ quan sát. Mặt khác, trong các hệ truyền động sử dụng SPIM, việc sử dụng biến tần nguồn áp sáu pha là một lựa chọn tất yếu vì nguồn sáu pha không có sẵn.

Các phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) cho biến tần nguồn áp sáu pha gây ra xung điện áp common mode cao. Mục tiêu của điều khiển điện áp bộ biến tần là triệt tiêu ảnh hưởng bất lợi gây ra bởi điện áp common mode, tức giảm điện áp common mode ở mức thấp nhất có thể hoặc triệt tiêu chúng bằng zero. Vì vậy, để nâng cao hơn nữa chất lượng của hệ truyền động SPIM, luận án đề xuất một kỹ thuật điều rộng xung sóng mang mới làm giảm điện áp common mode (Reduced Common mode Voltage -RCMV) áp dụng cho hệ truyền động SPIM. Kỹ thuật sóng mang mới được đề xuất luan an V đơn giản và đòi hỏi khối lượng tính toán ít, có thể dễ dàng phát triển trong các trường hợp mở rộng kỹ thuật PWM cho các bộ biến tần đa bậc hoặc biến tần nhiều pha.

Phương pháp này có hiệu quả kinh tế cao, điện áp common mode được giảm và kiểm soát thành công trong phạm vi ±Vd/6. Việc kết hợp thành công giữa bộ quan sát NNSM_SC_MRAS và cấu trúc điều khiển phi tuyến BS_PCH, giải thuật giảm điện áp common mode cho điều khiển vector không sử dụng cảm biến tốc độ hệ truyền động SPIM đã góp phần nâng cao chất lượng điều khiển tổng thể của hệ thống, làm gia tăng khả năng bám đuổi theo tín hiệu đặt, độ ổn định, bù đắp cho sự không chắc chắn gây ra bởi độ nhạy tham số của SPIM, lỗi đo lường và nhiễu tải. Ứng dụng hệ truyền động đề xuất kết hợp điều khiển BS_PCH, bộ quan sát tốc độ NNSM_SC _MRAS và giải thuật giảm điện áp common mode cho hệ thống đẩy trong xe điện cũng được thực hiện và được tác giả trình bày trong luận án. Các kết quả thu được cho thấy hệ thống truyền động được đề xuất đáp ứng rất tốt những yêu cầu của hệ thống đẩy trong xe điện.

Kết quả này cho phép thúc đẩy các nghiên cứu ứng dụng thực tế hệ truyền động SPIM cho phương tiện và thiết bị ngành giao thông vận tải cũng như các lĩnh vực công nghiệp, v.v… Bên cạnh việc trình bày, dẫn giải về lý thuyết, các mô phỏng sử dụng MATLAB/ Simulink cũng được thực hiện.