Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
CHÍNH XÁC CHO ĐỘNG CƠ PMSM ỨNG DỤNG TRONG
SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP TRÊN CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ THÍCH NGHI
Trần Đức Chuyển1*, Đỗ Quang Hiệp1, Phùng Mạnh Hùng2*, Phạm Ngọc Sâm1
Tóm tắt: Trong bài báo này, tác giả trình bày một giải pháp nâng cao chất
lượng điều khiển chính xác cho động cơ xoay chiều đồng bộ PMSM ứng dụng trong
sản xuất công nghiệp trên cơ sở phương pháp điều khiển trượt mờ thích nghi. Thuật
toán tổng hợp có ý nghĩa là nhằm đánh giá được chất lượng làm việc hệ thống
truyền động điện bám trong công nghiệp và quân sự, kết quả được kiểm chứng mô
phỏng trong môi trường Matlab-Simulink.
Từ khóa: Điều khiển phi tuyến; Điều khiển trượt mờ thích nghi; Điều khiển thông minh.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử
dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp và quân sự, nó được chế
tạo thành các module chứa sẵn các chế độ; có điều chỉnh tốc độ chất lượng cao như xe
điện, robot công nghiệp, các thiết bị y tế, các máy đóng viên thuốc trong ngành dược,
.v.v…vì các đặc tính nổi trội của nó (dải tốc độ làm việc rộng, tỉ số momen/dòng điện lớn,
ít nhiễu, bền vững, hiệu suất cao, điều khiển chính xác) [1, 2]. Để ứng dụng các vấn đề
này, một bộ điều khiển thông minh-Bộ điều khiển trượt mờ thích nghi; hoạt động hiệu quả
trong một dải tốc độ rộng (từ tốc độ thấp đến tốc độ định mức; tốc độ cao) là một lựa chọn
hấp dẫn [2, 18, 20].
Để ứng dụng vào các hệ thống điều khiển chính xác với nhiều cấp tốc độ khác nhau
đảm bảo được mô men, đặc biệt là các vùng làm việc với nhiều dải tốc độ khác nhau thì hệ
thống điều khiển đòi hỏi cần có độ chính xác cao như các hệ bám trong máy móc của
ngành dược (máy đóng viên thuốc); yêu cầu “rất khắt khe” và trong công nghiệp, [5, 6], thì
còn nhiều vấn đề phải giải quyết. Trong tài liệu [5, 6], [8, 10], mới chỉ đề xuất các phương
pháp điều khiển mờ cho PMSM.



Nghiên cứu khoa học công nghệ

báo này trình bày những nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển chính xác cho động
cơ xoay chiều đồng bộ PMSM ứng dụng trong xưởng sản xuất công nghiệp; có tính đến
yếu tố phi tuyến bất định, động học của động cơ chấp hành và các bộ biến đổi trên cơ sở
phương pháp điều khiển trượt mờ thích nghi, [5, 6, 8, 16].
2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU ĐỒNG BỘ
KÍCH TỪ NAM CHAM VĨNH CỬU
Trước hết ta đi xét: Mô hình toán học động cơ chấp hành ba pha PMSM với cấu trúc
các cuộn dây stator và roto là nam châm vĩnh cửu được thể hiện như, [4].
Bằng cách lấy toạ độ rotor của động cơ PMSM như toạ độ tham chiếu, trên mặt phẳng
hệ trục toạ độ d-q được biểu diễn bởi phương trình sau đây, [4, 8, 9]:

  k1iqs  k2  k3TL

iqs  k4iqs  k5  k6Vqs  ids

ids  k4ids  k6Vds  iqs

(1)

trong đó, TL là mô men tải,  là tốc độ góc rotor, iqs; ids là dòng điện stator trục d và trục q
đã được tuyến tính hoá, Vqs là điện áp trục q, Rs điện trở stator, Vds là điện áp trục d, và ki
> 0, i = 1….6, là các giá trị tham số được tính bằng:

R

3 1 p2


với Te là momen điện từ, p là số đôi cực, Rs điện trở stator, Ls điện cảm stator, J mô men
quán tính rotor, B hệ số ma sát nhớt, m từ thông móc vòng và    ; khi đó bộ ước
lượng trạng thái phi tuyến để ước lượng  , tốc độ rotor  , thành phần không đo được của
động cơ.
Một cách khác để tiện cho việc tính toán thì trên hệ toạ độ trục tham chiếu d-q của
động cơ ta có thể viết, [4]:

 Rs   Ls p  Lse

 vdes  
    Lse
Rs   Ls p
 vqes  
 
 0    Lm Rr
0
0  
Lr
  
R

0
 Lm r

Lr

Lm
p
Lr



(7)

27


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Te 

3 n Lm e e
e e
(iqsdr  ids
dr )
2 2 Lr

(8)

Trong phương pháp FOC (Field Oriented Control), từ thông được định hướng hoàn
toàn theo trục d được thiết lập bởi qre  0 , do đó ta có:
re  dre

(9)

thì khi đó tần số góc trượt ta có được là:
 sl 

Lm  Rr  e


 r (t )  

T
B
Kt
r (t )  iq*es  L  B pr  Ap iq*es  D pTL
Jr
Jr
Jr

(14)

trong đó, Bp   B / Jr  0; Ap  Kt / Jr  0; D p  1/ Jr  0.
Để đạt được mô hình toán học tương ứng với quá trình điều khiển của động cơ PMSM,
giá trị danh định của các tham số phải được xem xét đến các yếu tố ảnh hưởng của các
thành phần phi tuyến không đo được và không chịu ảnh hưởng của bất kỳ nhiễu loạn nào,
[14, 15, 18, 20]. Do đó, mô hình động học của động cơ được đưa ra bởi (14) có thể được
viết là:
 r (t )  Br (t )  Aiq*es

(15)

trong đó, A  Kt / Jr và B   B / Jr lần lượt là các giá trị tương ứng của Ap và Bp. Để xử lý
các thành phần không đo được, chúng phải được xem xét; tính toán và thêm vào mô hình
động học của động cơ PMSM các giá trị thực thời gian thực tương ứng. Vì vậy, ở biểu
thức (14) ta xem xét tính toán các thành phần không đo được của mô hình cấu trúc động
cơ trong hệ thống truyền động khi đó được viết như sau:
 r (t )  (B  B)r (t )  ( A  A)iq*es  D pTL  
 Br (t )  Aiq*es  L (t )



(17)
trong đó, C và h là các hằng số dương, Thay thế (16) trong (17), đạo hàm bậc nhất của S(t)
theo thời gian ta sẽ nhận được:
S(t )  h Ce(t )  B r (t )  Au(t )  L (t )  r* (t )





(18)

trong đó, u(t )  iqes (t ).
Bằng cách cho S(t )  0 , và L (t )  0 , khi đó, hiệu suất mong muốn theo mô hình động
học hệ thống (điều khiển tương đương) được viết như sau, [1, 4, 5, 9, 20]:
ueq (t )  ( A )1 (C  B )e(t )  B r* (t )  r* (t ) 



(19)

Để đạt được hiệu suất phù hợp thì động học của động cơ chấp hành luôn làm việc ổn
định liên tục trên cơ sở mặt trượt S(t ). Khi đó, thành phần không liên tục ur (t ) được viết
dưới dạng:
ur (t )  ( Ah)1 k (t )sign(S(t ))

(20)

trong đó, k (t )  0 và hàm “sign” là hàm chức năng được định nghĩa như sau:
1, neáu S (t )  0

2

(24)

Điều kiện ổn định thể hiện tính ổn định có thể thu được từ định lý ổn định của hàm
Lyapunov [1, 5, 6].

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019

29


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

V (t )  S(t ).S(t )   S(t )

(25)

Trong đó,  là hằng số hoàn toàn dương. Từ các biểu thức (18), (19) và (22), (25) có
thể được viết lại thành biểu thức sau:
V (t )  S(t ).S(t )  S(t )hAur (t )  hS(t )L (t )
V (t )   k S(t )  h S (t ) L (t )

(26)

V (t )   S(t ) (k (t )  hm)

So sánh biểu thức (25) và (26) xem xét L (t )  m , khi đó tính ổn định của hệ thống
được đảm bảo theo phương trình sau:
k (t )  hm  

S
sat 


sign(S ), khi S  
 

 S
  , khi S  


(28)

Trong đó,  được xác định là độ dày lớp biên giới trên mặt trượt. Sau đó, phần điều
khiển tiếp giáp với (20), khi đó sẽ được thay đổi thành:
ur (t )  ( Ah)1 k (t )sat(S(t ) /  )

30

(29)

T. Đ. Chuyển, …, P. N. Sâm, “Nghiên cứu nâng cao chất lượng … trượt mờ thích nghi.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển truyền động điện ứng dụng trong sản xuất công
nghiệp được biểu biễn như hình 2:

iqs*e

Tb , Tb
Tc , Tc

r
d,q

i s  , 
i s
a, b, c

, 

ia
ib

r

d
dt

Hình 2. Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động sử dụng động cơ PMSM trên
cơ sở phương pháp điều khiển trượt mờ thích nghi.
Bằng cách áp dụng vấn đề điều khiển như ở trên, hiệu suất của quá trình điều khiển có
thể là không phù hợp vì hiện tượng chattering vẫn tồn tại dẫn đến quá trình làm việc của bộ
điều khiển chưa được ổn định. Để giải quyết những vấn đề này, khi đó hàm bão hòa được
thay thế bằng một hệ thống mờ hoạt động giống như hàm bão hòa sẽ làm giảm được các
thành phần phi tuyến bất định. Đối với hệ thống điều khiển mờ được đề xuất, được coi là
một hệ có cấu trúc biến đổi; khi đó S(t) được thay đổi thành ΔS(t) và được coi là biến điều
khiển đầu ra uTMTN . Do đó, hệ thống của bộ điều khiển mờ được biểu diễn dưới dạng sau:
uTMTN  TMTN (S(t ), S(t ))

In1

1
Saturation1

Out2

n



To Workspace1

Out3

n2

Out4

Gain2
In2

Out5

To Workspace3

Out6

BDK_TocDo



0.2
Gain1

du/dt
Derivative

Manual Switch

Ramp

Hình 3. Sơ đồ hệ thống sử dụng BĐK trượt mờ
thích nghi điều khiển động cơ PMSM.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019

Hình 4. Cấu trúc bộ điều khiển mờ.

31


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Bộ điều khiển mờ gồm: hai tín hiệu vào là sai lệch S(t), đạo hàm sai lệch ∆S(t) và một
tín hiệu ra uTMTN. Cấu trúc BĐK mờ được minh họa như hình 4.

Hình 6. Mờ hóa đầu vào ∆S(t).

Hình 5. Mờ hóa đầu vào S(t).


K
DV
DV

DV
K
K
DV
DV
DL

DL
DV
DV
DL
DL
DL

Bảng luật mờ được xây dựng như bảng 1. Quan hệ đầu vào; đầu ra bộ điều khiển mờ
như hình 5, hình 6, hình 7. Khi đó cần giảm thiểu thành phần L(t) ở (26). Lúc này cần ước
tính thành phần k(t) bằng cách sử dụng luật thích nghi tương ứng đã được trình bày ở [9],
để cập nhật tính toán, nhằm đảm bảo các điều kiện để BĐK làm việc tốt trong chế độ
trượt. Khi đó, k(t) được ước tính để giảm đi những sai số điều khiển ở (32), lúc này bộ
điều khiển làm việc ổn định thỏa mãn định lý ổn định Lyapunov. Do đó, để đạt được các
mục tiêu đã đề cập, k(t) được lấy là:
k(t )  k S(t )

(33)

trong đó, k là một hằng số dương. Trên thực tế, thành phần k (t) như một bộ lọc





1

k

 k(t)  kˆ  k(t)

(35)

1
  S(t )k (t )sgn(S )  hS(t)L (t ) 
k (t )  kˆ k(t )

k





Thay (33) vào (35) và biến đổi (25) ta được:
V (t )  k (t )  kˆ  kˆ S(t )  h L (t ) S (t )  k (t )  kˆ S (t )
  k (t )  kˆ S(t )  kˆ S(t )  hm S(t )  k (t )  kˆ S(t )

(36)

 (kˆ  hm) S(t )


được là: VP = 0,01; d = 0,99 (với T = 0,002). Chất lượng bộ điều khiển PI sau khi tính toán
lựa chọn ta có : KP = 0.3 ; KI = 0.0001. Ngoài ra còn có các phương pháp sử dụng phần mềm
thiết kế BĐK PID Design như trong tài liệu [1, 15, 18, 19, 20] ... để thiết kế bộ điều khiển.
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Sau khi nghiên cứu tính toán, thuật toán bộ điều khiển trượt mờ thích nghi và đi xây
dựng chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink để tiến hành mô phỏng đánh
giá kết quả nhằm; kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán, sơ đồ có dạng như trên hình 3.
Các tham số mô phỏng: Động cơ xoay chiều đồng bộ PMSM gồm có: Công suất P =
0,45KW; tốc độ định mức 3000 vòng/phút; Uđm = 220V; số đôi cực p = 4; hệ số ma sát
nhớt B = 0,0001 N.m.s/rad; Mô men quán tính J =1,5.10-4 Kgm2.
Thực hiện mô phỏng thuật toán bộ điều khiển trong môi trường MATLAB-SIMULINK
được khảo sát với kết quả mô phỏng ở các trường hợp như sau:
Trường hợp 1: Nghiên cứu mô phỏng đánh giá khả năng làm việc, phản ứng của hệ
thống trong quá trình ổn định tốc độ, mô men tải là 0.53Nm.
1500

0.8

wd
w

Load (Nm)

Speed (r/m)

1000

500

0

0.6
Time (s)

0.8

1

Hình 9. Mô men đặt và mô men ước tính
trường hợp 1.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019

33


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
6

6

i sq

4

i sd

4

ia (A)


0.2

0.4
0.6
Time (s)

0.8

1

Hình 11. Đáp ứng dòng điện ia
trường hợp 1.

Hình 10. Đáp ứng dòng điện isq và dòng điện
isd trường hợp 1.

Trường hợp 2: Nghiên cứu mô phỏng đánh giá khả năng làm việc, phản ứng của hệ
thống trong quá trình khởi động và hãm, khi tốc độ thay đổi, mô men tải không đổi
0,53Nm. Ta có kết quả mô phỏng như sau:
1500
1000

Speed (r/m)

0.8

wd

momen
momen (obs)

1

4

2

i (A)

0

2

a

i sd,isq (A)

0.4
0.6
Time (s)

6

i sq

4

0.2

Hình 13. Mô men đặt và mô men ước tính
trường hợp 2.


0

0.2

0.4
0.6
Time (s)

0.8

1

Hình 15. Đáp ứng dòng điện ia
trường hợp 2.

Đáp ứng dòng điện isq mặc dù thay đổi tại thời điểm t1 = 0,035s và t2 = 0,5s nhưng
vẫn đạt giá trị cân bằng khoảng 0,5A; isd dao động khoảng 0,25A.
Trường hợp 3: Nghiên cứu mô phỏng đánh giá khả năng làm việc của hệ thống khi tốc
độ thay đổi với biên độ 1000 vòng/phút đến -1000 vòng/phút, mô men tải thay đổi theo
dạng hình sin, mô men tải là 0.5Nm.

34

T. Đ. Chuyển, …, P. N. Sâm, “Nghiên cứu nâng cao chất lượng … trượt mờ thích nghi.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ
1500
1000

Time (s)

0.8

Hình 16. Tốc độ đặt d và tốc độ thực 
của động cơ trường hợp 3.
6

15

4

10

2

5

sd

0

-5

-4

-10
0.2

0.4

0

1

-15
0

1

0.2

0.4
0.6
Time (s)

0.8

1

250

2

200

1.5

Speed (r/m)

Speed (r/m)


2
1
0
-1

0.4
0.6
Time (s)

0.8

1

Hình 21. Tốc độ đặt d và tốc độ thực 
của cơ cấu công tác trường hợp 4.

3

isq (A)

0.5

-0.5
0

1

Hình 20. Tốc độ đặt d và tốc độ thực 
của động cơ trường hợp 4.

0.2

0.4
0.6
Time(s)

0.8

1

Hình 23. Mô men đặt và mô men ước tính
trường hợp 4.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019

35


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Trường hợp 5: Nghiên cứu phản ứng của hệ thống khi góc đặt vào thay đổi theo quy
luật hàm Xv = V.t, (V = 1rad/s) mô men tải không đổi Mc = 0,5Nm.
1.5

Goc (rad)

1
0.5

Xr


sd

1

i (A)

Hình 25. Đáp ứng vào ra của bộ điều khiển
theo mô men trường hợp 5.

0

0
-5

-1
-2
0

0.2

0.4
0.6
Time (s)

0.8

1

Hình 26. Đáp ứng dòng điện isq

tác động của thành phần không xác định, sẽ làm thay đổi thời gian quá trình quá độ, làm
tăng tính tác động nhanh của hệ thống truyền động; thì khi đó thuật toán vẫn làm việc ổn
định; lượng ra bám sát lượng vào ở quá trình cân bằng, đáp ứng của hệ thống làm việc ổn
định. Có thể thấy bộ ước tính của các thành phần phi tuyến luôn bám sát giá trị đặt cả ở

36

T. Đ. Chuyển, …, P. N. Sâm, “Nghiên cứu nâng cao chất lượng … trượt mờ thích nghi.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

chế độ thay đổi tốc độ và ở trạng thái làm vệc ổn định. Hơn nữa, ở chế độ quá độ, đáp ứng
BĐK cũng cho đáp ứng với thời gian khá nhanh.
Trong bài báo này, việc nghiên cứu sử dụng bộ điều khiển TMTN nhằm đưa ra thuật
toán để áp dụng cho một số hệ thống điều khiển truyền động điện bám trong công nghiệp
và quân sự hiện nay như: hệ thống điều khiển rô bốt, hệ thống điều khiển chính xác cho
máy đóng viên thuốc trong ngành dược, hệ thống điều khiển máy cắt gọt CNC, hệ thống
bám vũ khí, .v.v... Kết quả được tính toán xây dựng, tổng hợp để minh chứng về hiệu quả
của thuật toán, nâng cao chất lượng làm việc cho hệ thống bám.
5. KẾT LUẬN
Hệ thống truyền động bám cho các đối tượng điều khiển trong công nghiệp và quân sự
cần đòi hỏi độ tin cậy và độ chính xác rất cao, việc thay thế các hệ thống điều khiển cũ là
cần thiết và cấp bách trong các hệ thống bám điện cơ đang được sử dụng nhiều trên thực
tế. Bài báo đã trình bày được về cách tiệm cận mới, nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển
trượt mờ thích nghi cho hệ thống truyền động bám công nghiệp. Các kết quả nghiên cứu lý
thuyết và mô phỏng cho thấy thuật toán điều khiển trên đạt được chất lượng tốt và hoạt
động ổn định hơn. Vấn đề này đã minh chứng được tính đúng đắn của thuật toán và kết
quả nghiên cứu này hoàn toàn có thể ứng dụng vào trong thực tế cho hệ thống truyền động
điện bám trong công nghiệp và quân sự hiện nay.


Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019

37


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

700–711, Aug. 2010.
[13]. L. Viet Quoc, C. Han Ho, and J. Jin-Woo, “Fuzzy sliding mode speed controller for
PM synchronous motors with a load torque ob-server” , IEEE Trans. Power Electron.,
vol. 27, no. 3, pp. 1530–1539, Mar. 2012.
[14]. H. H. Choi and J. W. Jung, “Fuzzy speed control with an acceleration observer for a
permanent magnet synchronous motor” , Nonlinear Dynamics, Vol. 67, No. 3, pp.
1717-1727, Feb. 2012.
[15]. J.J. Slotine and W. Li, “Applied Nonlinear Control”. Englewood Cliffs, NJ:
Prentice-Hall, (1991).
[16]. С.В. Емельянов, С.К. Коровин. Нелинейная динамика и управление. Выпуск 4,
Москва Физматлит, 2004.
[17]. Краснова С. А., Уткин В. А., Каскадный синтез наблюдателей состояния
динамических систем, Наука, Москва, 2006.
[18]. Б.К Чемоданов - Следящие приводы Т1, 2.- М. (1999): Изд. МГТУ им Баумана
[19]. Nguyễn Công Định, “Phân tích và tổng hợp các hệ thống điều khiển bằng máy
tính”, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, (2002).
[20]. Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển phi tuyến”, (2015). Nhà xuất bản Khoa
học và Kỹ thuật.
ABSTRACT

THE RESEARCH FOR IMPROVING QUALITY OF PRECISION CONTROLS
FOR PMSM MOTOR APPLICATIONS IN INDUSTRIAL PRODUCTION IN