Luận án tiến sĩ: Nhận dạng và điều khiển nâng cao máy PMSM

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP. HO CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAM QUOC KHANH NHAN DANG VA DIEU KHIEN NANG CAO MAY DIEN DONG BO NAM CHAM VINH CUU LUAN AN TIEN SI TP. HO CHI MINH - NAM 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAM QUOC KHANH NHAN DANG VA DIEU KHIEN NANG CAO MAY DIEN DONG BO NAM CHAM VINH CUU Chuyén nganh: KY THUAT DIEN Mã số chuyên ngành: 62520202 Phản biện độc lập: PGS.

Nguyễn Thanh Phương Phản biện độc lập: TS. Võ Hoàng Duy Phản biện: PGS. Phan Quốc Dũng Phản biện: TS. Trần Viết Thắng Phản biện: PGS.

Nguyễn Quốc Hưng NGƯỜI HƯỚNG DAN: 1. HO PHAM HUY ANH LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án Phạm Quốc Khanh TÓM TAT LUẬN ÁN Cùng với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật vật liệu và yêu cầu ngày càng cao đối với các hệ thống truyền động điện, các máy điện hiệu suất cao cũng được chú ý nghiên cứu phát triển. Trong các các máy điện hiện nay, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà sản xuất thiết bị do chúng sở hữu ưu điểm mật độ công suất cao, hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và chỉ phí bảo trì bảo dưỡng thấp. Do đó, với xu hướng sử dụng các thiết bị thông minh, hiện đại và hiệu suất cao trong công nghiệp và dân dụng, các hệ thống truyền động điện PMSM ngày càng được các nhà sản xuất thiết bị cuối ưu tiên sử dụng. Ngoài các ưu điểm thì động cơ PMSM cũng có một số nhược điểm như là tốc độ động cơ bị giới hạn, cần phải có các cảm biến vị trí trục rô-to trong các phương pháp điều khiển véc-tơ.

Đã có nhiều giải pháp được dé xuất trong thời gian vừa qua dé giải quyết các van dé này. Các phương pháp điều khién tốc độ động cơ trên trên tốc độ định mức được đề xuất dé mở rộng dãy tốc độ làm việc cho động cơ PMSM. Các phương pháp điều khiển không cảm biến vi trí rô-to được đề xuất nhăm loại bỏ thành phần cảm biến góc rô-to. Tuy nhiên, với yêu cầu ngày càng cao về chất lượng điều khiển cũng như về yếu tố giá thành sản xuất, cần thêm nhiều nghiên cứu nhằm nâng cao hơn nữa chất lượng vận hành và giảm giá thành sản phẩm.

Dé đáp ứng các yêu cau cấp thiết trong bài toán nâng cao chất lượng điều khiển cho các hệ thống truyền động điện sử dụng PMSM, luận án đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất một số các giải pháp pháp dé nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ động cơ PMSM đó là: ` ° Áp dụng các thuật toán nhận dạng tối ưu thông sỐ động co PMSM. Việc xác định thông số động cơ có vai trò quan trọng trong việc tính toán xác định các thông số của bộ điều khiển động cơ PMSM. Các phương pháp ước lượng thông số động cơ PMSM được đề xuất có độ chính xác cao. Các thông số được ghi nhận từ các phương pháp nhận dang nay được áp dụng trong các phần điều khiển tốc độ động cơ PMSM được đề xuất trong luận án.

e Áp dụng phương pháp điều khiển mới nhằm mở rộng dãy tốc độ hoạt động của động cơ lên trên tốc độ định mức. Qua các kết quả mô phỏng ghi nhận được cho 1 thấy phương pháp mở rộng dãy tốc độ làm việc của động cơ PMSM được đề xuất có khả năng giảm được sự khác biệt về phương pháp điều khiến giữa hai vùng tốc độ khác nhau, giảm được sự dao động tốc độ động cơ khi vận hành ở trạng thái xác lập. Áp dụng bộ điều khiển Fuzzy trong phương pháp điều khiển tốc độ động cơ PMSM không cảm biến dựa trên mô hình. Qua các kết quả mô phỏng đạt được cho thay phương pháp điều khiển tốc độ PMSM không cảm biến được đề xuất có khả năng giảm thiểu hiện tượng dao động tốc độ PMSM.

Giảm được dao động và nâng cao khả năng bám theo tốc độ tham chiếu giúp nâng cao hiệu quả vận hành động cơ PMSM. 11 ABSTRACT Along with developing materials engineering technology and increasing requirements for electric drive systems, high-performance electric machines are also interested in research and development. Among current electrical machines, permanent magnet synchronous motors (PMSM) receive significant attention from equipment manufacturers because they possess the advantages of high-power density, high efficiency, compact size, and lower maintenance costs compared to other electric motors. Furthermore, with the trend of using modern, high-performance intelligent devices in today's life, PMSM electric drive systems appear in industrial production lines and increase in daily consumer products.

In addition to the significant advantages, the PMSM also has some disadvantages, such as the motor speed being limited, and it is necessary to have the rotor position sensor in the vector control methods. There have been many approaches proposed in recent times to solve these issues. The motor speed control methods in the constant power area are proposed to expand the operating speed range for the PMSM motor. Sensorless Control of the PMSM is proposed to eliminate the Rotor angle sensor component.

However, with the increasing requirements of the quality of control and the production cost factors, more research is needed to improve the quality of operation further and reduce the cost of PMSM drive. The thesis has researched and proposed several solutions to improve control quality of PMSM speed control, including: e Apply the optimal PMSM parameters identification algorithms. Determining the motor parameters is essential in determining the parameters of the PMSM motor controller. Methods of estimating the proposed PMSM parameters have high accuracy.

The parameters recorded from these identification methods are applied in the proposed PMSM speed control. e Apply a new control method to extend the speed range above the rated speed. The simulation results show that the proposed method of extending the working speed range of the PMSM motor can reduce the conflict between two different speed zones, reducing the speed fluctuations when operating in a steady state. 1V e Apply Fuzzy controller in sensorless PMSM speed control methods.

The simulation results show that the proposed sensorless PMSM speed control method can minimize PMSM speed fluctuations, reduced ripple and improved reference speed tracking lead to improved PMSM motor performance. LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án “Nhận dạng và điều khiển nâng cao máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu”, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện của Ban Giám Hiệu, Ban Chủ Nhiệm Khoa Điện - Điện Tử, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, quý thầy giáo, cô giáo, cán bộ các phòng, ban chức năng của Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Tôi cũng nhận được sự hỗ trợ, quan tâm và tạo điều kiện trong công tác của lãnh đạo Ban Giám Hiệu Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, của lãnh đạo Khoa Công Nghệ Điện, của Bộ môn Cơ Sở trong quá trình thực hiện luận án này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.

Hồ Phạm Huy Ánh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án cũng như hoàn chỉnh luận án. Tôi cũng xin cảm ơn các thành viên trong nhóm nghiên cứu điều khiển điện, tự động hóa B103-08 đã luôn hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Sau cùng là gia đình đã luôn động viên khích lệ tạo điều kiện về thời gian, công sức và kinh phí dé tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn.

Nghiên cứu sinh Phạm Quốc Khanh VI MỤC LỤC 0909. i TOM TAT LUẬN AN. iv LOT CAM ON. ec essessesssesssesssesssessesssecssessssssecssscssessssssecssecsssssessscssessusssesssesssessecssesaseeseeess vi MỤC LUC oavecssssessesssssessessussssssessscsessssesecsessussssssessessussssssessessussisssessessesssessessesssessesseesess vii DANH MỤC CAC HINH ANH _M.sscsssesssessssssesssesssessssssesssesssessesssecssessusssesasecsessseeesess xii DANH MỤC BANG BIEUou.

sssessessessssssessessesssessessecsecsusssecsecsessuseseesessessussseesessecssseseeseess XV DANH MỤC CÁC TU VIET TẮTT. 2-22 5£ ©++2+£+EE+SEE2EEEEEEEEEtEEErrrkrrkrerkree xvii CHƯƠNG 1 GIỚI THIEU .ececcesscsssesssesssessssssesssesssessesssecssessusssssssecsssssecssessnessesesessses 1 V1 Dat Van 7a ẽốa.1 Vấn đề điện khí hóa trong giao thông, công nghiệp va dân dụng.2 Các hạn chế và giải pháp khắc phục cho các bộ truyền động PMSM.1 Bài toán tăng tốc độ PMSM lên trên tốc độ định mức.2 Bài toán điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ PMSM.3 Bài toán ước lượng thông số động cơ PMSM.2 Phạm vi nghiÊn CỨU. - 6 6 +13 91 931911991901 HH Tho nh nh 5 1.3) Muc ti€u nghién COU n6.4 Nội dung nghiên cứu của luận AM oo. eee eee eseeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeseeaeeaeeeeaeeaees 7 15 Bố CUC TUAN AN.

8 CHƯƠNG2_ TONG QUAN ooveeececcecescssssessssessesssuceesucsesussvsansvsatsucarsussesavavsavsncavsncevens 10 2.1 Giới thiệu về động cơ PMSM uueeecsssesssssssssssssecssesssessecssecssecsscssecasecsscesecasecseeess 10 2.1 Cấu tạo của động cơ PMSM.2 Mô hình toán PMSM. Giới han vung lam việc của động cơ PMSM.4 Điều khiển tốc độ PMSM dựa trên phương pháp điều khiển FOC.2 Tổng quan các phương pháp mở rộng dãy tốc độ điều khiển của PMSM.-2< St 2k2 2E EEE12211 2111111121111 111 xe l6 2.2 Phương pháp điều khiển véc-tơ dong điện.3 Phương pháp điều khiển dòng điện trực tiếp .4 Phương pháp điều khiển véc-tơ từ thông .------ 2 + sz+ce+ce+rxcsez 19 2.5 Phương pháp điều khiển dựa trên tra bảng mô-men và từ thông.6 Hướng nghiên cứu đề xuất của luận án về mở rộng dãy tốc độ PMSM.3 Điều khiển tốc độ không cảm biến cho động cơ PMSM.2 Phương pháp điều khiến tốc độ không cảm biến dựa trên mô hình.1 Phương pháp ước lượng sức điện động cam ứng trên sfa-tO.2 Phương pháp bộ lọc Kalman mở rộng. Phương pháp bộ quan sát chế độ trượt.4 Phương pháp hệ thống thích nghi tham chiếu mô hình. Phương pháp điều khiển không cảm biến không dựa trên mô hình.1 Phương pháp đáp ứng tín hiệu tần số cao.-------¿zcs+cxe+se+ 24 2.2 Phương pháp sử dụng bộ vòng khóa pha.

Phương pháp sử dụng các bộ điều khiển thông minh .5 Hướng nghiên cứu về điều khiến tốc độ PMSM không cảm biến.4 Nhận dạng thông số PMSM. Gà Hà Hà HH nh gà 26 2.2 Các phương pháp nhận dang thông số động cơ kiểu offline.1 Phương pháp dựa trên miền tần số.----2- 2 +++c++cx+zrxz+zxez 27 2.2 Phương pháp dựa trên miền thời gian. Phương pháp phan tử hữu hạn. Các phương pháp nhận dang online.1 Phương pháp tính toán đại SỐ .2 Phương pháp sử dụng bộ quan sát.

Phương pháp sử dung tri tuệ nhân tạO. --- «+ +<c+sssssrse 30 2ZAA NAM XEt nh d4.5 Hướng nghiên cứu về nhận dang thông số PMSM của luận án. 32 CHƯƠNG 3 NHẬN DẠNG THONG SO ĐỘNG CƠ PM§M.2 Nhận dạng thông số PMSM dựa trên các thuật toán tối ưu.1 Mô tả phương pháp thực hiện .2 Hàm mục tiêu trong nhận dạng thông số động cơ .3 Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ PMSM. Ước Lượng Thông Số PMSM dựa trên thuật toán tiến hóa Vi sai.