- 1 -

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

HOÀNG ĐỨC HÙNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
HẰNG SỐ THỜI GIAN ROTOR
CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
ROTOR LỒNG SÓC
Chuyên ngành: Tự ñộng hóa
Mã số: 60.52.60
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - Năm 2011
- 2 -

2

Công trình ñược hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐHBK, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đoàn Quang Vinh


tư nhiều công sức nghiên cứu. Vấn ñề ñặt ra là làm sao ñể sử dụng
ĐCKĐB với chất lượng hiện có mà vẫn ñáp ứng ñược yêu cầu về
chất lượng hệ thống. Các thông số ñộng cơ mà ñiển hình là các tham
số của rotor - làm việc trong chế ñộ ngắn mạch bị biến ñổi theo nhiệt
ñộ làm việc. Việc xây dựng hệ thống ñiều khiển cần thiết phải tính
ñến việc bù ñắp các thay ñổi này ñể ñảm bảo chất lượng ñiều khiển.
2. Mục ñích nghiên cứu
Xây dựng bộ ñiều khiển ĐCKĐB rotor lồng sóc có khả năng tự
thích nghi theo sự thay ñổi hằng số thời gian rotor của ñộng cơ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là ĐCKĐB 3 pha rotor lồng sóc.
Phạm vi nghiên cứu chính của ñề tài này là xây dựng ñược hệ
thống ñiều khiển thích nghi theo hằng số thời gian rotor của ĐCKĐB
rotor lồng sóc. Trong ñề tài này, tác giả chỉ ñi vào xét ảnh hưởng của
- 4 -

4

ñiện trở rotor mà chưa xét ñến ảnh hưởng của cả ñiện trở và ñiện cảm
rotor trong một mối liên hệ tổng thể.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu, xây dựng các phương án và thiết kế trên lý thuyết.
Xây dựng mô hình mô phỏng ñể kiểm chứng trên phần mềm
Matlab-Simulink.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
Kết quả nghiên cứu sẽ ñược áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau vì hiện nay rất nhều hệ truyền ñộng, dây chuyền sản xuất sử
dụng ĐCKĐB rotor lồng sóc vì sự hấp dẫn về kết cấu và giá thành
của ñộng cơ nhưng lại ñòi hỏi ñộ chính xác cao.
6. Cấu trúc luận văn

[ ] [ ] [ ] [ ]
[ ] [ ] [ ] [ ]
r
r
s
m
m
m
r
rr
r
m
s
s
m
m
s
ss
r
r
r
r
r
s
s
s
s
iLiLiLiL
iLiLiLiL
epiRU






β
α
β
α
β
α
ψ
ψ
s
s
s
s
s
s
s
p
i
i
R
u
u

[ ]



β
α
ψ
ψ
r
r
r
r
r
r
r
e
e
p
i
i
R
0
0

[ ] [ ] [ ] [ ]






+



β
α
β
α
β
α
ψ
ψ
m
m
M
s
s
s
r
r
M
s
s
s
s
s
i
i
L
i
i
L
i
i




=






β
α
β
α
σ
β
α
β
α
β
α
ψ
ψ
m
m
M
r
r
r
s

zm −=
2
3

1.2.3. Mô hình của ĐCKĐB trên hệ tọa ñộ dq
Hệ phương trình của ñộng cơ trong hệ trục toạ ñộ dq:
- 6 -

6

( )
sdrqsqrd
r
M
pM
mqrqrsqMrqrrq
mdrdrsdMrdrrd
mqsqsmqMsqsrqMsqssq
mdsdsmdMsdsrdMsdssd
rdrrqrqr
rqrrdrdr
sdssqsqssq
sqssdsdssd
ii
L
L
zm
iLiLiL
iLiLiL
iLiLiLiLiL

0
(1.7)

a. Mô hình trạng thái liên tục
Theo [2], nếu ñặt các vector trạng thái và ñầu vào:
[
]
[
]
sqsd
fT
rqrdsqsd
fT
uuuiix ,;,,,
||
==
ψψ

Mô hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB ñược viết dưới dạng:
s
ff
s
fff
f
NxuBxA
dt
dx
ω
++=
(1.20)















−
−−
−−
−








−
+−
−
−

ω
σ
σ
σ
σ
σ
ω
σ
σ
σ
σ
σ
σ
σ

;
00
00
1
0
0
1
2
1







σ
σ













−
−
=
0100
1000
0001
0010
N
(1.21)
b. Mô hình trạng thái gián ñoạn
Theo [2], mô hình trạng thái gián ñoạn của ĐCKĐB:
(
)
(
)







ΦΦ
ΦΦ
=






















ff
r
s
r
s
rr
rrs
s
r
s
rs
f
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
TT
T
T
T
T


















=
f
f
s
s
f
H
H
L
T
L
T
H

vector trường hợp
tựa hệ dq từ thông
rotor.
i
ds

ϑ
s

ϑ
r

γ
i

jq

d
α=as
u
s

ω
s

ω
s

ω
s

2.2. Các phương pháp thiết kế bộ ñiều khiển dòng ñiện trong hệ
thống ñiều khiển T
4
R.
2.2.1. Mô hình gần ñúng của ĐCKĐB trên hệ tọa ñộ dq tựa
từ thông rotor:
Hình 2.2 - Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển vector tựa từ thông rotor.
- 9 -

9

mM
3
i_sq
2
i_sd
1
LM
Tr
zp
J.s
LM
Tr.s+1
1
Ti .s+1
1
Ti .s+1

, thời gian thực hiện của nó là T
nl
và xem ω
s
và ω biến thiên
khá chậm hơn các ñại lượng ñiện từ. Ta thực hiện ñược mô hình sau: Các bộ ñiều khiển dòng ñiện trên Hình 2.6 ñược xác ñịnh:
Hình 2.6 - Cấu trúc bộ ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ.
Hình 2.5 - Mô hình gần ñúng của ĐCKĐB trong hệ tọa ñộ dq tựa từ
thông rotor.
- 10 -

10
















inli
pT
LL
L
pT
L
KKT
RR
RR
1
1
1
1
2
1
2221
1211
ω
ω
(2.9)
Nếu xem tất cả các sức ñiện ñộng ñều là nhiễu biến thiên chậm
thì có thể thực hiện việc tổng hợp hai bộ ñiều khiển dòng riêng rẽ và
sau ñó thực hiện việc tách kênh bằng các mạch bù sức ñiện ñộng như
trên Hình 2.7 với các bộ ñiều khiển xác ñịnh ñược như sau:
(
)
(
)
;
11

)
;
22
'
22
pRpR =
( )
nl
r
bu
K
pR
ω
=

Một phương pháp khác cũng hay ñược sử dụng là dòng ñiện riêng
rẽ có bù sức ñiện ñộng như trên Hình 2.8. Các bộ ñiều khiển R
11
, R
12

ñược lấy theo biểu thức (2.9) và từ thông Ψ
sα
và Ψ
sβ
xác ñịnh theo
(2.10) ( theo tài liệu [1]).
dt
i
i



=






0
β
α
β
α
β
α
ψ
ψ
(2.10)








+=
s
s
inli
pT
L
KKT
R








+=
nm
nm
inli
pT
L

i
TL
K
2
1
=
ψ

2.3.3. Tổng hợp bộ ñiều khiển tốc ñộ
( )
p
K
KpR
i
p
ω
ωω
+=
(2.13)
;
2
21
KKT
J
K
a
p
=
ω
a

ˆ
~
(2.15)
Hậu quả này sẽ dẫn ñến sai lệch tĩnh của mômen và module từ
thông. Tùy theo thực trạng kỹ thuật và ñòi hỏi về chất lượng truyền
ñộng, các sai số trên trong nhiều trường hợp là không chấp nhận
ñược. Ngoài ra, sai số xác lập của mômen và từ thông sẽ có ảnh
- 12 -

12

hưởng xấu ñối với các hệ truyền ñộng chất lượng cao.
2.4.2. Quan sát ảnh hưởng của T
r
ñến các trạng thái và
ñáp ứng
Từ kết quả thiết kế các bộ ñiều khiển ở trên và sử dụng ñộng cơ
mẫu 10HP trong thư viện SimPowerSystems của phần mềm Matlab
Simulink ñể thực hiện mô phỏng. Kết quả mô phỏng và quan sát các
ñáp ứng ñối với các trường hợp chưa có sự biến ñộng ñiện trở rotor
và khi có sự thay ñổi ñiện trở rotor như sau:
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7

0.825
Time (s)
Psird (Wb)Psird-150
Psird-100
Psird-Ref0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0
500
1000
1500
2000
2500
Time (s)
n (V/p)n-Ref
n-100
n-150Quan sát ñáp ứng tốc ñộ thấy rằng, trường hợp ñiện trở rotor tăng
lên 1.5 lần ngoài việc ảnh hưởng ñến ñộ quá ñiều chỉnh khi khởi
ñộng còn ảnh hưởng ñến biên ñộ tuyệt ñối của tốc ñộ trong vùng ổn
ñịnh khi mang tải ñịnh mức. Khi ñộng cơ mang tải ñịnh mức ñồng

n
-
150

n
-
1
0
0

- 14 -

14

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
Time (s)

ñộng ±27.6%.
2.4.3. Kết luận
Từ kết quả quan sát cho thấy khi ñiện ñiện trở rotor thay ñổi tăng
lên trong quá trình làm việc ảnh hưởng ñến việc ổn ñịnh ñặc tính từ
thông và mômen, ñặc biệt là biên ñộ của tốc ñộ ñộng cơ không còn
bám theo chính xác giá trị tốc ñộ mong muốn. Vấn ñề này sẽ ñược
Hình 2.20 - Đáp ứng mômen ñộ ñộng cơ khi biến ñộng tăng ñiện
trở rotor.
Hình 2.21 - Hiện tượng dao ñộng mômen ñộ ñộng cơ khi tăng
ñiện trở rotor.
mM
-
150

mM
-
1
0
0

- 15 -

15

giải quyết theo hướng thích nghi với sự thay ñổi của ñiện trở rotor.
CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HẰNG SỐ
THỜI GIAN ROTOR
3.1. Tổng quan về ñiều khiển thích nghi
Một hệ thống mà bộ ñiều khiển có khả năng tự thay ñổi thông số
hay cấu trúc của bộ ñiều khiển, hoặc cả về thông số lẫn cấu trúc của

(t) của mô hình tham chiếu. Mục tiêu là:
0)()()()()( ≈−=⇔≈ tytytetyty
mm
(3.1)
Như vậy vấn ñề còn lại của bài toán là thiết kế cơ cấu thay ñổi
tham số bộ ñiều khiển ñể luôn có ñược sai số e(t) ≈ 0 và ñiều này
phải không ñược phụ thuộc vào sự thay ñổi bên trong ñối tượng.
Để thực hiện việc hiệu chỉnh tham số p cho bộ ñiều khiển với cấu
trúc xác ñịnh, cho trước, ñiển hình là mô hình ñiều chỉnh theo luật
MIT và phương pháp hiệu chỉnh theo hàm mục tiêu xác ñịnh dương
ñặt trước.
3.2.2. Luật hiệu chỉnh tham số bộ ñiều khiển MIT
(Massachusetts Institude Technology)
Theo [3], nội dung phương pháp hiệu chỉnh này là thay ñổi vector
thông số p sao cho ñảm bảo mục tiêu (3.1). Tức là cần có:
(
)
0<
dt
tde
e
(3.2)
Và ñể ñạt ñược (3.2) ta chỉ cần thay ñổi p sao cho:
T
p
e
e
dt
pd


γ
(3.3)
Trong ñó γ là hằng số dương tùy ý và ñược gọi là hệ số khuếch
ñại thích nghi, tốc ñộ ñể
(
)
0lim
0
=
>−
te
t
phụ thuộc theo ñộ lớn của γ.
3.2.3. Hiệu chỉnh tham số bộ ñiều khiển nhờ cực tiểu hóa hàm
mục tiêu hợp thức (xác ñịnh dương)
Cũng theo [3], phương pháp hiệu chỉnh này nhờ cực tiểu hóa hàm
- 17 -

17

mục tiêu xác ñịnh dương V(e) của các vector sai lệch e.
(
)
0,0 ≠∀> eeV và
(
)
00 =V
Và chỉ cần xác ñịnh bộ ñiều khiển sao cho
(
)
3.4. Điều chỉnh tự ñộng và lịch trình ñộ lợi
Trong nhiều trường hợp, có thể biết ñược sự thay ñổi ñộng học
của quá trình theo các ñiều kiện vận hành. Nguồn gốc của sự thay
ñổi ñộng học có thể là tính phi tuyến. Có thể thay ñổi tham số của bộ
ñiều khiển bằng cách giám sát các ñiều kiện vận hành của quá trình.
Phương pháp này ñược gọi là lịch trình ñộ lợi.
3.5. Điều khiển mờ thích nghi
Kỹ thuật ñiều khiển mờ ñã ñược phát triển thêm tính thích nghi
ñể tạo nên một hệ thống ñiều khiển trong ñó thông số và cấu trúc của
bộ ñiều khiển thay ñổi trong quá trình vận hành, nhằm giữ vững chất
lượng ñiều khiển của hệ thống khi có sự hiện diện của các yếu tố
bất ñịnh cũng như sự thay ñổi thông số trong hệ thống.
3.6. Ứng dụng ñiều khiển thích nghi ñể ñiều khiển ĐCKĐB
Như ñã phân tích trong Chương 2, sự thay ñổi hằng số thời gian
rotor T
r
làm ảnh hưởng ñến tốc ñộ ñồng bộ của ñộng cơ. Các bộ ñiều
khiển và mô hình từ thông ñược xây dựng trên cơ sở hằng số thời
gian T
r
xác ñịnh dẫn ñến thông số bộ ñiều khiển không còn là tối ưu
và kéo dài thời gian quá ñộ, tựa sai hướng từ thông rotor khi mà
T
r
bị biến ñổi.
Xem xét các phương pháp thích nghi ñược trình bày trong 3.2 và
xét về giới hạn phạm vi cần thích nghi theo yêu cầu nghiên cứu (thích
nghi theo T

phục vụ cho các khâu chuyển ñổi hệ trục tọa ñộ.
CHƯƠNG 4. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
HẰNG SỐ THỜI GIAN ROTOR
4.1. Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng
4.1.1. Thuật toán lọc Kalman
Hình 3.5 - Cấu trúc tổng thể bộ ñiều khiển thích nghi hằng số
th
ờ
i gia
n rotor.

- 20 -

20

4.1.2. Ứng dụng lọc Kalman quan sát trạng thái của ĐCKĐB
Theo [5], thuật toán lọc Kalman ñược xây dựng ñể ứng dụng
quan sát trạng thái ĐCKĐB rotor lồng sóc như sau:
Mô hình gián ñoạn của ĐCKĐB trên hệ dq (1.23) ñược viết lại:



=
+=
+
kk
kkk
Cxy
BuAxx
1






−−−
−−
−−
−








−
+−−
−−








−
+−

T
TT
T
A
ωω
ωω
σ
σ
ω
σ
σσ
σ
ω
ω
σ
σ
σ
σ
ω
σ
σ

;
00
00
10
01




=
00
00
10
01
(4.6)
Đặt τ = 1/T
r
, và xem như một hằng số ngẫu nhiên có dạng:
kkk
ξ
τ
τ
+
=
+1
(4.7)
Trong ñó
{
}
k
ξ
là nhiễu ồn trắng phân bố chuẩn Gaussian không
tương quan với nhiễu ño lường
{
}
k
η
và có phương sai là một ma trận
dương cho trước


+






+






=






+
+
k
k
k
kk
k
kkkk

( )
1 (1 )
0 1 ( )
0 ( ) 1
A
k s k
s
k k
s k k
s
k k s
k s k
T
T T T
T
T
T T T
T
T T T
T T T
σ σ
σ τ ω τ ω
σ σ σ
σ σ
τ
ω σ τ ω τ
σ σ σ
τ τ ω ω
τ ω ω τ
 

k
là ma trận trọng số nhiễu.
Các vector nhiễu
k
ξ
và
k
η
ñược giả thiết là các nhiễu trắng
phân bố chuẩn Gaussian, kỳ vọng bằng 0 và với mọi k, j, ta có:
(
)
(
)
kjkjkkjkjk
RCovQCov
δ
η
η
δ
ξ
ξ
=
=
,,,
(4.9)
Các bước thực hiện sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng ñể
nhận dạng biến trạng thái mới τ như sau:
• Dự báo (Predict):
(

ˆ
11
1
111
1,
1,
kk
k
kkk
kk
kk
uB
xA
x
τ
τ
τ
(4.10)
( ) ( )
[ ]
( ) ( )
[ ]






+
+

111
11111
1,1
11111
1,
0
0
0
ˆˆˆ
0
ˆˆˆ
k
T
kkk
T
kkkkk
kk
kkkkk
kk
S
GQG
xAA
P
xAA
P
τ
τ
ττ
τ
τ

∂
∂
−−−
kk
kk
kk
kk
kkk
xxT
xxT
xxT
xxT
xA
42
31
24
13
111
1
1
ˆˆ
σ
σ
σ
σ
τ
τ
(4.12)
• Hiệu chỉnh (Correction):
[

−
−
−
−+






=






kkkkk
kk
kk
k
k
xCyK
xx
ττ
(4.14)
[
]
[
]

pw
T
K
T
K
T
K
K
T
K
T
K
K ++=+=

Các hệ số K
7
, K
8
, K
9
, K
10
, K
11
không phụ thuộc vào T
r
.
4.2.2. Tổng hợp bộ ñiều khiển từ thông
Mi
i

Ts = 2e-006 s.
Psird_fix
w^
Psird*
Gia tri dat
mC
Psird_fix
wN
EKF
w^
us_dq^
is_dq^
Tr^
ws^
Psird^
Dieu khien
Psir*
w*
w^
is_dq
us_alp
is_alp
Psird^
Tr^
ws^
Udc
Xung_dk
Chap hanh
mC
Xung_dk

zp
1/u
is_dq^
3
us_dq^
2
w^
1
Hình 4.5 - Sơ ñồ khối lọc Kalman mở rộng.
Hình 4.2 - Mô hình tổng thể hệ thống ñiều khiển.
- 24 -

24

Xung _dk
1
SVPWM
usd
usq
ws
Udc
Xung_dk
R_w
w*
w^
Tr
isq*

7
is_alp
6
us_alp
5
is_dq
4
w^
3
w*
2
Psir*
1isd*
1
R_Psi_A
Adaptive PID
e_Psi
Tr
Tr
3
Psir^
2
Psir*
1isq*
Hình 4.8 - Sơ ñồ bộ ñiều khiển tốc ñộ nghi theo T
r
.
Hình 4.9 - Đáp ứng tốc ñộ với hằng số thời gian rotor T
rx
= T
r
/1.5.
Hình 4.7 - Sơ ñồ bộ ñiều khiển từ thông thích nghi theo T
r
.
Hình 4.6 - Sơ ñồ tổng thể khối ñiều khiển thích nghi.
- 25 -

25

Kết quả cho thấy, sử dụng ĐKTN ñã làm giảm ñáng kể ñộ quá
ñiều chỉnh khi khởi ñộng (ñặc tính n-Adc). Giải quyết ñược hiện
tượng sai lệch về biên ñộ tốc ñộ như thể hiện trong Hình 4.10.
2.91 2.92 2.93 2.94 2.95 2.96 2.97 2.98 2.99 3
1400
1420
1440
1460
Time (s)
n (V/p)
65
Time (s)
mM (N.m)mC
mM-Nm
mM-Adc Hình 4.10 - Tốc ñộ ñộng cơ vùng tải ñịnh mức với hằng số
thời gian rotor T
rx
= T
r
/1.5.
Hình 4.11 - Đáp ứng mômen với hằng số thời gian rotor T
rx
= T
r
/1.5.
Hình 4.12 - Khắc phục dao ñộng mômen khi sử dụng bộ ĐNTN
với hằng số thời gian rotor T
rx
= T
r
/1.5.

0.7
0.8
0.9
Time (s)
Psird (Wb)Psird
Psird-Nm
Psird-Adc
2.91 2.92 2.93 2.94 2.95 2.96 2.97 2.98 2.99 3
0.81
0.815
0.82
0.825
0.83
Time (s)
Psird (Wb)Psird
Psird-Nm
Psird-Adc


r
^
với T
rx
= T
r
/1.5.
Hình 4.13 - Từ thông rotor với hằng số thời gian rotor T
rx
= T
r
/1.5.
Psird
-
Nm

Psird
-
Adc

- 27 -

27

rotor thay ñổi, dẫn ñến thay ñổi hằng số thời gian rotor. So với trường
hợp bình thường (Normal) chỉ sử dụng các bộ ñiều khiển PI không
thích nghi kết hợp với mô hình từ thông rotor như các ñặc tính mM-
Nm và Psird-Nm, thì việc sử dụng ĐKTN kết hợp với việc quan sát
trạng thái ñã ñáp ứng ñược theo chất lượng thiết kế ban ñầu.