(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở

(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS Phạm Hùng Phi

2 TS Đào Quang Thủy

Hà Nội - 2022

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được tác giả khác công bố

Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh

Phạm Hùng Phi Đào Quang Thủy Phí Hoàng Nhã

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn cũng như sự ủng hộ giúp đỡ của tập thể cán bộ hướng dẫn, của các nhà khoa học, của các bạn đồng nghiệp Tôi xin gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến hai thầy hướng dẫn là TS Phạm Hùng Phi và TS Đào Quang Thủy đã trực tiếp bằng tâm huyết hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tập thể Bộ môn Thiết bị điện tử, Viện Điện, đặc biệt là TS Phùng Anh Tuấn - trưởng bộ môn TBĐ-ĐT luôn động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đề tài luận án

điện-Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các cộng sự, các đồng nghiệp tôi tại Khoa Điện trường Đại học Công nghiệp Hà Nội nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi được yên tâm học tập, nghiên cứu

Cuối cùng là cảm ơn sự ủng hộ, động viên, khích lệ của gia đình thân yêu tôi để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập

Nghiên cứu sinh

Phí Hoàng Nhã

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ 4

1.1 Giới thiệu về động cơ từ trở 4

1.1.1 Cấu trúc động cơ 4

1.1.2 Nguyên lý hoạt động 4

1.1.3 Ưu điểm, hạn chế của động cơ 5

1.2 Phương trình toán học của động cơ 6

1.2.1 Phương trình điện áp 6

1.2.2 Phương trình mô men 7

1.2.3 Phương trình cơ 8

1.3 Các giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở 8

1.3.1 Giải pháp thay đổi cấu trúc động cơ 8

1.3.2 Giải pháp điều khiển động cơ 14

1.4 Kết luận chương 1 20

Chương 2 PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH TỪ THÔNG CỦA ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA HỖ CẢM VÀ BÃO HÕA MẠCH TỪ 21

2.1 Tổng quan về phương trình đặc tính từ thông 21

2.1.1 Đặt vấn đề 21

2.1.2 Các phương pháp xác định đặc tính từ thông 21

2.1.3 Đánh giá các công trình liên quan về phương trình đặc tính từ thông .22

2.2 Phương trình đặc tính từ thông có xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm và bão hòa mạch từ 24

2.2.1 Đặt vấn đề 24

2.2.2 Đánh giá ảnh hưởng của hỗ cảm giữa các pha trong động cơ từ trở 24 2.2.3 Phương trình đặc tính từ thông động cơ từ trở có xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm và bão hòa mạch từ 26

2.3 Mô hình thuận của động cơ từ trở 29

2.3.1 Đặt vấn đề 29

2.3.2 Cấu trúc mạng nơ ron của mô hình thuận 29

2.3.3 Thuật toán lan truyền ngược huấn luyện mạng 31

2.4 Mô hình nghịch của động cơ từ trở 33

2.4.1 Đặt vấn đề 33

2.4.2 Cấu trúc mạng nơ ron của mô hình dòng điện nghịch 33

2.4.3 Thuật toán lan truyền ngược huấn luyện mạng cho mô hình dòng điện nghịch 35

2.4.4 Mô hình từ thông nghịch đảo 37

iv

2.5 Mô phỏng kiểm chứng mô hình thuận và nghịch của động cơ từ trở

37

2.5.1 Kiểm chứng mô hình thuận 37

2.5.2 Kiểm chứng mô hình dòng điện nghịch 42

2.5.3 Kiểm chứng mô hình từ thông nghịch đảo 43

2.6 Kết luận chương 2 44

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING CHO ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ ĐƯỢC PHÁT TRIỂN THEO MÔ HÌNH KẾT HỢP PHI TUYẾN 45

3.1 Mô hình động học của động cơ từ trở 45

3.1.1 Đặt vấn đề 45

3.1.2 Mô hình kết hợp phi tuyến của động cơ từ trở 45

3.2 Thiết kế bộ điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở theo mô hình kết hợp phi tuyến 51

3.2.1 Cơ sở kỹ thuật điều khiển Backstepping 51

3.2.2 Bộ điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở 53

3.2.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển 56

3.3 Kết quả mô phỏng kiểm chứng 56

3.3.1 Trường hợp tốc độ đặt thay đổi 57

3.3.2 Trường hợp tải thay đổi 58

3.4 Kết luận chương 3 59

Chương 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING KẾT HỢP BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI PHI TUYẾN, BỘ ƯỚC LƯỢNG BẰNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO 61

4.1 Bộ điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở kết hợp bộ quan sát trạng thái .61

4.1.1 Đặt vấn đề 61

4.1.2 Bộ quan sát trạng thái phi tuyến 61

4.1.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển 63

4.1.4 Kết quả mô phỏng kiểm chứng 64

4.2 Bộ điều khiển Backstepping kết hợp bộ ước lượng từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo 69

4.2.1 Đặt vấn đề 69

4.2.2 Bộ ước lượng từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo 69

4.2.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển 69

4.2.4 Kết quả mô phỏng kiểm chứng 70

4.3 Đánh giá ảnh hưởng sai lệch đặc tính từ thông quan sát và đặc tính từ thông ước lượng đến chất lượng hệ thống điều khiển 73

4.3.1 Đặt vấn đề 73

4.3.2 Trường hợp giảm tải 73

4.3.3 Trường hợp tăng tải 75

4.4 Kết luận chương 4 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 86

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

SRM Động cơ từ trở (Switched Reluctance Motor)

TDF Hàm phân bổ mô men (Torque Distribution Function) RT-LAB Phòng thí nghiệm thời gian thực (Real-Time

Laboratory) FPGA Thiết bị lập trình cấu trúc mảng logic (Field

Programmable Gate Array) TSF Hàm chia sẻ mô men (Torque Sharing Function) CMAC Bộ điều khiển ghép nối mô hình tiểu não (Cerebellum

Model Articulation Controller) ANN Mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural Network) PID Bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân-vi phân

PI Bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân

APC Điều khiển vị trí rotor (Angular Position Control) CCC Điều khiển dòng điện (Current Chopping Control) CVC Điều khiển điện áp (Voltage Chopping Control) PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) SMC Bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Controller)

BELBIC

Bộ điều khiển thông minh dựa trên trí tuệ nhân tạo (Brain Emotional Learning Based Intelligent Controller)

FLC Bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Controller) ANFIS Hệ thống suy luận thích nghi nơ ron (Adaptive Neuro

Fuzzy Inference System) CSM Phương pháp chia sẻ dòng điện (Current Sharing

Method) FSM Phương pháp chia sẻ từ thông (Flux Sharing Method) SMLA Thuật toán học thích nghi trượt (Sliding Method

Learning Adaline) DITC Điều khiển mô men trực tiếp (Direct Instaneous

Torque Control) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element

Method) Backstepping-quan

W’ Đối năng lượng từ trường

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Giá trị sai số với dòng 1A 39

Bảng 2.2 Giá trị sai số với dòng 5A 39

Bảng 2.3 Giá trị sai số với dòng 9A 40

Bảng 4.1 Thông số mô hình SRM, thông số bộ điều khiển và bộ quan sát 64

Bảng 4.2 Chất lượng điều khiển của Backstepping và Backstepping-quan sát 68

Bảng 4.3 Chất lượng điều khiển giữa Backstepping và Backstepping-nơ ron 71

Bảng 4.4 Chất lượng điều khiển giữa Backstepping và Backstepping-nơ ron khi tốc độ đặt thay đổi 72

Bảng 4.5 Thông số chất lượng hệ thống điều khiển của Backatepping, Backstepping-nơ ron và Backstepping-quan sát với tải giảm 74

Bảng 4.6 Thông số chất lượng hệ thống điều khiển của Backstepping, Backstepping-nơ ron và Backstepping-quan sát với tải tăng 75

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu trúc động cơ từ trở 8/6 (nguồn [12]) 4

Hình 1.2 Biểu đồ phác họa năng lượng từ trường 7

Hình 1.3 Một vài cấu trúc rotor (nguồn [17-20]) 9

Hình 1.4 Cực rotor khoét rỗng (nguồn [21]) 10

Hình 1.5 Cấu trúc stator nhiều răng (nguồn [22-24]) 10

Hình 1.6 Thiết kế thay đổi mỏm cực stator (nguồn [25]) và thiết kế vòng đệm gông stator (nguồn [26]) 10

Hình 1.7 Cấu trúc stator mới và đường từ thông trên cấu trúc (nguồn [27]) 11

Hình 1.8 Cấu trúc rotor và stator theo (nguồn [28]) 12

Hình 1.9 Cấu trúc răng stator và rotor theo (nguồn [29]) 12

Hình 1.10 Bề mặt cực rotor (nguồn [32]) 13

Hình 1.11 Cấu trúc cực stator theo (nguồn [34]) 14

Hình 1.12 Cấu trúc bộ điều khiển mờ cho SRM (nguồn [35]) 14

Hình 1.13 Hệ thống điều khiển góc đóng/mở (nguồn [39]) 15

Hình 1.14 Cấu trúc hệ thống điều khiển (nguồn [42]) 17

Hình 1.15 Cấu trúc hệ thống sử dụng bộ điều khiển trượt (nguồn [43]) 17

Hình 1.16 Cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng bộ BELBIC (nguồn [44]) 18

Hình 1.17 Hệ thống điều khiển theo phương pháp chia sẻ dòng điện và từ thông (nguồn [9]) 18

Hình 1.18 Điều khiển tốc độ SRM kết hợp ước lượng mô men (nguồn [46]) 19

Hình 1.19 Một số cấu hình bộ Converter cho drive của SRM (nguồn [56]) 20

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của hệ truyền động động cơ từ trở 21

Hình 2.2 Giá trị độ tự cảm của pha a và hỗ cảm giữa các pha với pha a (nguồn [13]) 25

Hình 2.3 Cấu trúc mạng nơ ron của mô hình thuận 29

Hình 2.4 Quá trình huấn luyện mạng 31

Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán huấn luyện mạng nơ ron 32

Hình 2.6 Cấu trúc mạng nơ ron của mô hình dòng điện nghịch 34

Hình 2.7 Cấu trúc của mô hình từ thông nghịch đảo 37

Hình 2.8 Đường đặc tính từ thông nhận dạng trường hợp chưa xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm 37

Hình 2.9 Đường đặc tính từ thông nhận dạng trường hợp xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm 38

Hình 2.10 Đồ thị sai lệch giữa đặc tính từ thông thực nghiệm và đặc tính từ thông nhận dạng với dòng 1A trường hợp: (a) chưa xét ảnh hưởng hỗ cảm, (b) có hỗ cảm 38

Hình 2.11 Đồ thị sai lệch giữa đặc tính từ thông thực nghiệm và đặc tính từ thông nhận dạng với dòng 5A trường hợp: (a) chưa xét ảnh hưởng hỗ cảm, (b) có hỗ cảm 39

Hình 2.12 Đồ thị sai lệch giữa đặc tính từ thông thực nghiệm và đặc tính từ thông nhận dạng với dòng 9A trường hợp: (a) chưa xét ảnh hưởng hỗ cảm, (b) có hỗ cảm 40

ix

Hình 2.13 Đường đặc tính từ thông nhận dạng theo mô hình thuận 41

Hình 2.14 Đồ thị sai số đường đặc tính từ thông nhận dạng so với đường thực tế 41

Hình 2.15 Đồ thị đường đặc tính mô men xấp xỉ theo mô hình thuận 41

Hình 2.16 Đồ thị đường đặc tính dòng điện pha xấp xỉ 42

Hình 2.17 Đồ thị sai số đường đặc tính dòng điện pha xấp xỉ với đường thực tế 42

Hình 2.18 Đồ thị đường đặc tính từ thông xấp xỉ theo mô hình từ thông nghịch 43

Hình 2.19 Đồ thị sai số của đường đặc tính từ thông xấp xỉ theo mô hình từ thông nghịch so với đường thực tế 43

Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển Backstepping 55

Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển SRM sử dụng Backstepping 56

Hình 3.3 Đáp ứng tốc độ khid  30(rad s/ ) 57

Hình 3.4 Đặc tính tốc độ trường hợp tốc độ đặt 150 và 300 rad/s 57

Hình 3.5 Đáp ứng tốc độ khi tốc độ đặt thay đổi 58

Hình 3.6 Đáp ứng tốc độ khid  30(rad s/ )khi giảm tải 58

Hình 3.7 Đáp ứng tốc độ khid  30(rad s/ )khi tăng tải 59

Hình 3.8 Đáp ứng tốc độ của hệ thống khi tải thay đổi ở tốc độ trung bình 59

Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc bộ quan sát trạng thái phi tuyến 62

Hình 4.2 Hệ thống điều khiển Backstepping kết hợp bộ quan sát trạng thái phi tuyến 64

Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển Backstepping SRM 64

Hình 4.4 Từ thông quan sát 65

Hình 4.5 Vị trí rotor quan sát 65

Hình 4.6 Tốc độ quan sát 65

Hình 4.7 Dòng điện các pha 66

Hình 4.8 Mô men điện từ của động cơ từ trở 67

Hình 4.9 Đặc tính tốc độ với trường hợp tốc độ đặt 16 (rad/s) 67

Hình 4.10 Đặc tính tốc độ trường hợp tốc độ đặt 150 và 300 rad/s 68

Hình 4.11 Đặc tính tốc độ và sai số 68

Hình 4.12 Hệ thống điều khiển Backstepping kết hợp bộ ước lượng từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo 70

Hình 4.13 Đặc tính từ thông 70

Hình 4.14 Đặc tính mô men điện từ 71

Hình 4.15 Đặc tính tốc độ và sai lệch tốc độ trường hợp tốc độ đặt 10 rad/s 71

Hình 4.16 Đặc tính tốc độ trường hợp tốc độ đặt 150 và 300 rad/s 72

Hình 4.17 Đặc tính tốc độ và sai lệch tốc độ trường hợp tốc độ đặt thay đổi 72

Hình 4.18 Đáp ứng tốc độ của hệ thống Backstepping và Backstepping-quan sát khi giảm tải 74

Hình 4.19 Đáp ứng tốc độ của hệ thống Backstepping và Backstepping-nơ ron khi giảm tải 74

Hình 4.20 Đáp ứng tốc độ của hệ thống Backstepping và Backstepping-quan sát khi tăng tải 75

Hình 4.21 Đáp ứng tốc độ của hệ thống Backstepping và Backstepping-nơ ron khi tăng tải 75

Hình 4.22 Đáp ứng tốc độ của hệ thống Backstepping và Backstepping-quan sát khi tải thay đổi ở tốc độ trung bình 76

x Hình 4.23 Đáp ứng tốc độ của hệ thống Backstepping và Backstepping-nơ ron khi tải thay đổi ở tốc độ trung bình 76

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Động cơ từ trở, viết tắt là SRM, xuất hiện từ những năm 1840, với cấu tạo vô cùng đơn giản Trong cấu trúc của SRM, rotor và stator có dạng cực lồi, trên cực rotor không có dây quấn và không sử dụng nam châm vĩnh cửu Nhờ cấu trúc đơn giản này mà chi phí chế tạo của riêng động cơ từ trở thấp hơn nhiều so với các loại động cơ khác [1], [2] Điều đó hứa hẹn khả năng ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ thống truyền động công nghiệp và thiết bị gia dụng

Tuy nhiên, động cơ từ trở có nhược điểm lớn là mô men đập mạch cao, tiếng ồn tạo ra khá lớn, đặc tính phi tuyến phức tạp, do vậy việc mô hình hóa SRM gặp không ít khó khăn [3], [4], [5], Điều này đã ảnh hưởng không nhỏ đến phạm vi ứng dụng của SRM Những năm gần đây, SRM được sử dụng rất nhiều trong phương tiện xe điện phục vụ du lịch Những nghiên cứu cải thiện đặc tính làm việc của SRM cũng được quan tâm giải quyết nhiều hơn và nhiều công trình nghiên cứu

về mô hình hóa và điều khiển SRM được công bố hơn [6], [7], [8], [9], [10], [11], Hiện nay, mô hình SRM tuy được biểu diễn với nhiều dạng khác nhau gồm cả mô hình tuyến tính và phi tuyến, nhưng chưa có mô hình SRM nào đầy đủ và chính xác nhất Hơn nữa, trong SRM, từ thông là giá trị quan trọng đối với việc xây dựng mô hình cũng như điều khiển động cơ Việc xác định từ thông là khó khăn, thiết bị đo

từ thông làm tăng chi phí hệ thống Điều này gián tiếp ảnh hưởng đến đặc tính làm việc cũng như hiệu quả của động cơ từ trở trong thực tế

Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành du lịch, số lượng xe điện sử dụng ngày một tăng lên Nâng cao chất lượng và hiệu suất làm việc của SRM là một yêu cầu cấp thiết và đó cũng chính là động lực

thúc đẩy nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính

làm việc của động cơ từ trở”

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện đặc tính làm việc của động

cơ từ trở dựa trên phân tích cấu trúc và các giải thuật điều khiển Đặc tính làm việc của SRM bao gồm đặc tính mô men, đặc tính từ thông, đặc tính tốc độ, Để cải thiện được những đặc tính này một cách tích cực, nhà sản xuất cần cải tiến công nghệ chế tạo động cơ từ trở Đó là một việc làm rất khó khăn vì SRM là động cơ được nhập khẩu từ nước ngoài Chính vì vậy, mục tiêu của luận án là nghiên cứu các phương pháp điều khiển nhằm cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở thông qua bộ điều khiển công suất Với góc nhìn như vậy, mục tiêu nghiên cứu nên hướng tới giải quyết hai bài toán cơ bản: điều khiển ổn định tốc độ động cơ và điều khiển đặc tính mô men thông qua bộ điều khiển chuyển mạch Mục tiêu nghiên cứu của luận án này là đề xuất các giải thuật điều khiển mới nhằm nâng cao tính ổn định tốc độ cho SRM

2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong thực tế, SRM có rất nhiều loại phục vụ cho đa dạng các ứng dụng Ở Việt Nam, loại động cơ được sử dụng chủ yếu là động cơ từ trở 8/6 4 pha bởi chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống truyền động Chính vì vậy, đề tài chọn đối tượng nghiên cứu là SRM 8/6 Phạm vi nghiên cứu của luận án là nghiên cứu đề xuất các giải pháp điều khiển mới nhằm cải thiện đặc tính tốc độ của SRM

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học: Luận án tập trung nghiên cứu phương pháp mô hình hóa

SRM để từ đó đề xuất một phương pháp nhận dạng mô hình thuận nghịch của SRM bằng mạng nơ ron nhân tạo kết hợp kỹ thuật học sâu có xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hỗ cảm giữa các pha Xây dựng bộ điều khiển ổn định tốc độ động

cơ trên mô hình phi tuyến mới kết hợp bộ quan sát trạng thái dựa trên kỹ thuật Backstepping, quan sát phi tuyến và xấp xỉ bằng mạng nơ ron học sâu cho SRM để giảm thiểu thiết bị đo

Ý nghĩa thực tiễn: Các bộ quan sát trạng thái phi tuyến và bộ ước lượng từ thông

hoàn toàn có thể thay thế các thiết bị đo vật lý Các bộ điều khiển mới được đề xuất trong luận án đã được phân tích, đánh giá bằng mô phỏng Matlab cho thấy khả năng ứng dụng trong thực tế

5 Phương pháp nghiên cứu của luận án

Tổng hợp và phân tích các tài liệu khoa học trong và ngoài nước về động cơ từ trở, các giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của SRM Nghiên cứu kỹ thuật nhận dạng, quan sát trạng thái và điều khiển phi tuyến để từ đó xác định hướng nghiên cứu và phát triển cho luận án Nghiên cứu áp dụng mạng nơ ron học sâu để xây dựng bộ ước lượng từ thông cho SRM Kết hợp kỹ thuật Backstepping với kỹ thuật quan sát trạng thái, kỹ thuật nhận dạng để xây dựng bộ điều khiển mới nhằm cải thiện đặc tính tốc độ và giảm thiểu thiết bị đo cho SRM

6 Các đóng góp mới của luận án

Luận án tập trung vào xây dựng mô hình động cơ từ trở có xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm, bão hòa mạch từ và phương pháp điều khiển cải thiện đặc tính tốc độ của động cơ từ trở Những đóng góp chính của luận án:

- Đề xuất phương trình đặc tính từ thông có xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm giữa các pha và bão hòa mạch từ

- Xây dựng mô hình thuận và nghịch của SRM bằng mạng nơ ron nhân tạo kết hợp kỹ thuật học sâu

3

- Tổng hợp được bộ điều khiển Backstepping kết hợp với bộ quan sát trạng thái phi tuyến và bộ ước lượng từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo điều khiển tốc độ trên mô hình kết hợp phi tuyến của động cơ từ trở, để giảm thiểu thiết bị đo

7 Kết cấu của luận án

Luận án bao gồm phần mở đầu đã trình bày ở trên và 4 chương chính với nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan về động cơ từ trở

Nội dung chính của chương 1 là giới thiệu về động cơ từ trở bao gồm cấu tạo, nguyên lý làm việc và ưu, nhược điểm của SRM Tổng hợp tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về các vấn đề được nghiên cứu và giải quyết nhằm nâng cao chất lượng làm việc và hiệu suất của SRM Phân tích các nghiên cứu để từ đó

đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án

Chương 2: Phương trình đặc tính từ thông của động cơ từ trở có xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm và bão hòa mạch từ

Để cải thiện đặc tính tốc độ của SRM, chương 2 tập trung nghiên cứu về mô hình phi tuyến của SRM Đề xuất hàm từ thông cho SRM có xét đến ảnh hưởng của bão hòa từ và hỗ cảm giữa các pha để từ đó đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình thuận nghịch của SRM bằng mạng nơ ron nhân tạo

Chương 3: Điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở được phát triển theo mô hình kết hợp phi tuyến

Nghiên cứu mô hình kết hợp phi tuyến của SRM, đề xuất bộ điều khiển phi tuyến cho động cơ từ trở trên cơ sở mô hình kết hợp động cơ và khóa chuyển mạch

Chương 4: Điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở kết hợp bộ quan sát trạng thái phi tuyến, bộ ước lượng bằng mạng nơ ron nhân tạo

Nghiên cứu đề xuất các bộ điều khiển phi tuyến kết hợp với bộ quan sát trạng thái phi tuyến, bộ ước lượng từ thông bằng mạng nơ ron nhằm giảm bớt các thiết bị

đo trong hệ thống truyền động SRM

Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển của luận án, tài liệu tham khảo, các công trình đã công bố và phần phụ lục

4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ

Động cơ từ trở là động cơ có nhiều ưu điểm nổi trội nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm như mô men đập mạch cao, tiếng ồn lớn Những nhược điểm này đã ảnh hưởng không nhỏ tới đặc tính làm việc của động cơ Trong chương này, luận

án phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về động cơ từ trở Từ

đó, tác giả xác định hướng nghiên cứu nhằm cải thiện đặc tính làm việc của động

cơ từ trở trong luận án

1.1 Giới thiệu về động cơ từ trở

1.1.1 Cấu trúc động cơ

Động cơ từ trở gồm động cơ từ trở đồng bộ và động cơ từ trở chuyển mạch, có thể thực hiện chuyển động quay (động cơ quay) hoặc chuyển động thẳng (động cơ tuyến tính) Luận án này, tác giả tập trung vào động cơ từ trở chuyển mạch chuyển động quay (sau đây có thể gọi tắt là động cơ từ trở hay SRM)

Cấu tạo của động cơ từ trở dạng quay cũng giống như các loại động cơ quay khác, gồm rotor và stator Tùy theo số cực của rotor và stator mà có thể phân thành các loại động cơ từ trở 6/4, 8/6 hay 10/8,… Cả stator và rotor của động cơ từ trở đều là loại cực lồi Stator của động cơ được gắn cố định với vỏ, trên các cực đối diện của nó được quấn các cuộn dây giống như stator của động cơ một chiều Rotor của động cơ là phần chuyển động, có thể quay quanh trục stator Tuy nhiên, trên rotor không có cuộn dây Cấu tạo của rotor đơn giản chỉ là lõi thép được ghép bởi các lá thép mỏng và chia làm các cực đối diện nhau Equation Chapter (Next) Section 1

Hình 1.1 Cấu trúc động cơ từ trở 8/6 (nguồn [12])

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 1.1 trình bày cấu tạo của động cơ từ trở loại 4 pha 8/6 Trên stator có 4 cặp cực đối diện nhau, lần lượt được quấn quanh bởi các cuộn dây 1-1’, 2-2’, 3-3’, 4-4’

25

đoán chính xác hơn cho hiệu suất của động cơ Nhìn chung, các pha liền kề nhau sẽ

có dòng điện dẫn chồng chéo nhau Do đó, từ thông hỗ cảm giữa các pha liền kề sẽ sinh ra hỗ cảm giữa các cuộn dây Trong công trình [13], động cơ từ trở 8/6 với 4 pha có hỗ cảm giữa các pha liền kề nhau gồm ab, bc, cd, da được xem xét như Hình 2.2

Hình 2.2 Giá trị độ tự cảm của pha a và hỗ cảm giữa các pha với pha a (nguồn [13])

Dòng điện pha được thay đổi từ 1A đến 16A với giá trị thay đổi mỗi bước là 3A

Hỗ cảm giữa các pha không liền kề, cụ thể là pha ac và bd có thể được bỏ qua Ngay cả khi chúng chồng chéo nhau thì thời gian chồng chéo đó cũng rất ngắn và dòng điện rất nhỏ, dẫn đến từ thông hỗ cảm sinh ra là rất nhỏ so với từ thông hỗ cảm của hai pha liền kề Ở Hình 2.2, dòng điện dẫn của pha d và pha a là chồng chéo nhau, khi đó hỗ cảm Mab và Mad là đáng kể, còn hỗ cảm Mac rất nhỏ và Mbdbằng 0

Trong công trình nghiên cứu [68] tiến hành phân tích, đánh giá sai số của quá trình ước lượng độ tự cảm do hỗ cảm gây ra Việc ước lượng độ tự cảm bỏ qua ảnh hưởng của từ thông hỗ cảm đối với các vùng diện tích chồng chéo nhỏ của hai pha liền kề là tương đối chính xác Tuy nhiên, ở truyền động tốc độ cao, vùng chồng chéo giữa các pha lớn hơn, hỗ cảm giữa các pha là không thể bỏ qua Theo [68], phương trình điện áp của hai pha liền kề x và y, xét ở trạng thái mở mạch và ngắt mạch của pha x, tương ứng:

26

, , _

y x on y x off

x x m

dc x y

di t di t M

di t di t L

hưởng của hỗ cảm và bão hòa mạch từ

Phương trình toán của động cơ từ trở gồm ba phương trình như trình bày trong chương 1 Trong đó, đặc tính từ hóa (từ thông) là đặc tính quan trọng bởi nó quyết định đến giá trị mô men theo phương trình (1.5):

'W

Để điều khiển được chính xác động cơ từ trở, chúng ta cần tính toán được đặc

tính từ thông ѱ j (θ, i j ) càng chính xác càng tốt Đặc tính từ thông này là phi tuyến,

cần xét tới ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hỗ cảm giữa các pha Mặc dù, do kết cấu hình học của loại động cơ này, hỗ cảm giữa các pha khá nhỏ, có thể được bỏ qua Tuy nhiên, điều này tạo nên sự thiếu chính xác trong việc xây dựng mô hình toán của động cơ từ trở Đặc biệt, khi hoạt động ở tốc độ càng cao, sự chồng chéo dòng điện giữa các pha càng lớn, điều này dẫn đến sự ảnh hưởng của hỗ cảm là lớn

Để thuận tiện trong quá trình điều khiển, đặc tính từ thông có thể được xấp xỉ là một hàm liên tục [58], [39], [59] Tuy nhiên, hàm từ thông được xấp xỉ trong tất cả các công trình nghiên cứu trên đều bỏ qua ảnh hưởng của hỗ cảm giữa các pha Vì

với j = 1, 2,…, m; ѱ s là từ thông bão hòa; a j (θ) là từ thông hỗ cảm phụ thuộc vào vị

trí rotor Phương trình (2.16) xuất phát từ dạng nghiệm của phương trình vi tích phân (1.1) bao gồm nghiệm tổng quát và nghiệm riêng Mô hình được tác giả đề xuất dựa theo mô hình nhận dạng hàm từ thông trong các công trình nghiên cứu [58], [6] có cải tiến bổ sung

Nhìn chung, do cấu tạo đặc biệt của SRM nên sự hoạt động của động cơ này không giống như các động cơ điện thông thường Rotor của động cơ từ trở quay

từng góc rời rạc nên hàm f j (θ) có thể được biểu diễn bằng chuỗi Fourier:

[ ( ) ( )]

'

( ) ( ) 0

s j j

j j j

i f a j

s j

j j j

i f a j

s j

( )

j j j

i f a j

s j j

( )( )

j

a j

s j

j

a j

s j

j

j s j

Cấu trúc của mạng nơ ron nhân tạo (ANN) được sử dụng mô tả trong Hình 2.3 Ở

đây, hai mạng nơ ron cấu trúc giống nhau được sử dụng để tính toán hàm a j (θ) và

f j (θ) Đầu vào của hai mạng nơ ron đều là vị trí rotor  Đầu ra của mạng nơ ron thứ nhất là f j  và đầu ra của mạng nơ ron thứ hai là a j  Đầu ra của hai mạng nơ ron này được dùng tính toán để xấp xỉ hàm từ thông ^  

j

  và mô men ˆ ( , )T j  i j ANN được sử dụng gồm năm lớp là P f,R f,S T U Những kí hiệu này biểu thị f, f, f

số nơ ron của mỗi lớp Chỉ số trên f biểu thị tất cả các biến của mô hình

Hình 2.3 Cấu trúc mạng nơ ron của mô hình thuận

Cấu trúc của hai mạng nơ ron này là giống hệt nhau từ lớp P f,R f,S chỉ khác f

nhau ở lớp ra T với đầu ra khác nhau Do đó, cấu trúc mạng nơ ron thứ nhất và thứ f

hai được thêm chỉ số 1 và 2 ở dưới các lớp và các trọng số tương ứng, Hình 2.3 Vì