Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng bộ lọc Kalman giảm bậc kết hợp bộ điều khiển mờ: luận văn thạc sĩ

http:123link.proV8C5Chương 1: TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đềĐộng cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu được ứng dụng rất nhiềutrong lĩnh vực công nghiệp chế tạo như máy cắt gọt kim loại, máy đóng gói, máygia công chính xác, robot; vì vậy bộ điều khiển của động cơ đóng một vai trò rấtquan trọng. Hiện nay với khả năng thiết kế các bộ điều khiển hiện đại, nhờ cải tiến,ứng dụng không ngừng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn, động cơ xoay chiềuđã trở thành một đối tượng điều khiển có nhiều ưu thế và vì vậy, rất nhiều các hệđiều khiển đã sử dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ như một đối tượng điềukhiển có nhiều ưu điểm vượt trội. Chất lượng các hệ điều khiển truyền động điệnphụ thuộc rất nhiều vào các bộ điều khiển, ở đó hệ thống phải tạo ra được khả năngthay đổi tốc độ với phạm vi điều chỉnh rộng, độ chính xác của đại lượng điều chỉnhở chế độ tĩnh cao để tạo nên vùng làm việc với sai số nhỏ, hệ làm việc với bất cứquá trình quá độ nào cũng đạt được độ ổn định cao và hệ có khả năng đáp ứngnhanh với yêu cầu điều chỉnh.

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp chế tạo như máy cắt gọt kim loại, máy đóng gói, máy gia công chính xác, robot; vì vậy bộ điều khiển của động cơ đóng một vai trò rất quan trọng Hiện nay với khả năng thiết kế các bộ điều khiển hiện đại, nhờ cải tiến, ứng dụng không ngừng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn, động cơ xoay chiều

đã trở thành một đối tượng điều khiển có nhiều ưu thế và vì vậy, rất nhiều các hệ điều khiển đã sử dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ như một đối tượng điều khiển có nhiều ưu điểm vượt trội Chất lượng các hệ điều khiển truyền động điện phụ thuộc rất nhiều vào các bộ điều khiển, ở đó hệ thống phải tạo ra được khả năng thay đổi tốc độ với phạm vi điều chỉnh rộng, độ chính xác của đại lượng điều chỉnh

ở chế độ tĩnh cao để tạo nên vùng làm việc với sai số nhỏ, hệ làm việc với bất cứ quá trình quá độ nào cũng đạt được độ ổn định cao và hệ có khả năng đáp ứng nhanh với yêu cầu điều chỉnh

Tất cả những điều này thực sự đã đặt ra những yêu cầu càng ngày càng khắt khe hơn cho các hệ thống điều khiển tự động

Để giải quyết những vấn đề trên người ta đã nghiên cứu và áp dụng nhiều lý thuyết điều khiển, mỗi một phương pháp đều có những mặt mạnh, mặt yếu nhưng nhìn chung ở mỗi hệ thống khi đã lựa chọn phương án điều khiển nào thì người thiết

kế đều đạt được những kết quả nhất định cho mục đích của mình

Hiện nay, để điều khiển các hệ truyền động điện người ta đã áp dụng một số các lý thuyết tiêu biểu như: Phương pháp điều chỉnh thích nghi, điều khiển trượt, mạng nơron nhân tạo, hệ mờ (Fuzzy)… và một số hệ điều khiển lai Việc sử dụng động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu trong công nghiệp ngày càng gia

tăng mạnh vì những ưu điểm như tốc độ nhanh, độ chính xác cao… và hiện tại các

hệ thống đa phần sử dụng cảm biến, encoder quang để đo tốc độ và hồi tiếp về bộ điều khiển, điều này góp phần làm cho giá thành của hệ thống tăng cao Chính vì

những ưu điểm đó, tác giả đã quyết định chọn đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển tốc

độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng bộ lọc Kalman giảm bậc kết hợp bộ điều khiển mờ”

Đề tài thực hiện thành công sẽ mở ra một hướng điều khiển chính xác tốc độ động cơ nhưng không sử dụng cảm biến làm giúp giảm giá thành sản phẩm, giảm kích thước, giảm nhiễu xâm nhập vào hệ thống giúp cho hệ thống đạt được tối ưu hơn

1.2 Các nghiên cứu có liên quan

Đã có một số đơn vị ngoài nước tiến hành nghiên cứu nhưng hệ thống được thiết kế dựa trên bộ xử lý tín hiệu số chuyên dụng (Digital – signal – processor

DSP), đảm bảo độ chính xác cao nhưng giá thành tốn kém

Thông qua các tạp chí, các hội nghị nghiên cứu trong nước và tìm kiếm thông tin trên mạng internet, tác giả mới chỉ thấy đề tài:

“Sử dụng bộ quan sát trượt để ước lượng tốc độ và dùng mạng Neuron để điều khiển tốc độ”.[16] Đây là phương pháp điều khiển hiện đại, phương pháp này không dùng cảm biến mà dùng bộ quan sát trượt để ước lượng tốc độ nên độ ổn định cao, giá thành hạ Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ động cơ bám tốt với tốc

độ đặt Tuy nhiên tại thời điểm thay đổi tốc độ đột biến có quá trình quá độ còn sai

số tương đối lớn, mặc dù sau một thời gian mạng nơron tự học và tác động đưa tốc

độ về với tốc độ yêu cầu

“ Ứng dụng công nghệ FPGA điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu không dùng cảm biến bằng giải thuật mờ” [17], đề tài này có đáp ứng tốc độ tương đối tốt, tuy nhiên đây là phương pháp điều khiển truyền thống, việc xây dựng thuật toán phức tạp với nhiều bước tính toán Việc sử dụng cảm biến để phản hồi tốc độ dẫn đến hệ thống điều khiển phức tạp, giá thành cao

“Ứng dụng thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng trong điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến bằng công nghệ FPGA” [19] Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ động cơ bám tốt với tốc độ đặt Tuy nhiên thời

gian đáp ứng còn cao Tác giả vẫn chưa thấy phương pháp “Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng bộ lọc Kalman giảm bậc kết hợp bộ điều

khiển mờ” được nghiên cứu và công bố tại Việt Nam

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Tập trung nghiên cứu thành công giải thuật điều khiển động cơ không sử dụng

cảm biến dùng bộ lọc kalman giảm bậc kết hợp điều khiển mờ

Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển dòng điện và bộ điều khiển tốc độ động cơ

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tác giả tập trung chính vào phương pháp điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu, Fuzzy, kết hợp bộ lọc Kalman giảm bậc, thuật toán điều khiển không sử dụng

cảm biến

Qua so sánh các phương pháp điều khiển, tác giả rút ra kết luận phương pháp nào tối ưu và hướng phát triển của đề tài

1.5 Nội dung thực hiện

- Thu thập, phân tích những tài liệu trong và ngoài nước về bộ lọc kalman giảm bậc, hệ mờ để điều khiển động cơ

- Nghiên cứu mô tả ưu điểm, ứng dụng của động cơ nam châm vĩnh cửu, bộ lọc kalman, phương pháp điều khiển mờ

- Nghiên cứu một số phương pháp và công nghệ điều khiển tốc độ động cơ nam châm vĩnh cửu

- Viết chương trình mô phỏng bằng matlab modelsim

1.6 Phương pháp thực hiện

- Tìm hiểu toàn bộ các nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, bộ lọc Kalman mở rộng để thiết kế bộ điều khiển tốc độ, bộ điều khiển

dòng điện

- Tìm hiểu bộ nghịch lưu IGBT và phương pháp điều chế vector không gian

- Tìm hiểu lý thuyết, nguyên lý phương pháp điều khiển PID, hệ mờ để mô phỏng quá trình điều khiển động cơ

- Mô phỏng toàn bộ các quy trình thiết kế nhằm tìm ra lỗi để khắc phục

1.7 Dự kiến kết quả đạt được

- Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng bộ lọc Kalman giảm bậc kết hợp bộ điều khiển mờ

- Xây dựng mô hình toán học, mô phỏng trên matlab và nhận được kết quả tốc

độ động cơ đạt yêu cầu

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

2.1.1 Giới thiệu chung

Động cơ đồng bộ ba pha ngày nay được sử dụng rộng rãi với giải công suất từ vài trăm W đến hàng MW Nó chiếm vị trí quan trọng trong các hệ truyền động tự động Ở dải công suất lớn và cực lớn thì nó hoàn toàn chiếm ưu thế Tuy nhiên ở dải công suất nhỏ và vừa nó phải cạnh tranh với động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều Ngày nay truyền động động cơ đồng bộ công suất nhỏ càng được chú ý nghiên cứu ứng dụng thay thế động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ Vì động cơ đồng bộ mang tính ưu việt của cả động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ Khả năng sử dụng rộng rãi động cơ đồng bộ rotor nam châm vĩnh cửu bởi các ưu điểm sau:

- Không có tổn hao rotor nên có hiệu suất cao

- Vì Ψp mạnh nên cho phép giảm dòng không tải

- Đặc tính điều chỉnh ít phụ thuộc sự biến thiên của các thông số động cơ

2.1.2 Nguyên lý cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Động cơ đồng bộ nói chung động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng là những máy điện xoay chiều có phần cảm đặt ở rotor và phần ứng là một hệ dây quấn ba pha đặt ở stator Với ĐCĐBNCVC thì phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề rotor Các thanh nam châm thường được làm bằng đất hiếm như Samariu – cobalt (SmCO5, SmCO17) hoặc Neodymium – ion boron (NdFeB) là các nam châm có suất năng lượng cao và tránh được hiệu ứng khử từ, thường được gắn trên bề mặt hoặc bên trong của lõi thép rotor để đạt được dộ bền cơ khí cao Khi tốc độ làm việc cao thì khe hở giữa các thanh nam châm có thể đắp bằng vật liệu dẫn từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền

cao như sợi thủy tinh hoặc bắt bulon vít lên các thanh nam châm

Theo kết cấu của động cơ có thể chia ĐCĐBNC VC thành 2 loại: Động cơ cực

ẩn và động cơ cực lồi

2.1.2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi

Cấu tạo của động cơ gồm hai phần chính là stator và rotor

- Stator của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

- Stator của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

Lõi thép stator gồm các lá thép kỹ thuật điện hai mặt được phủ lớp sơn cách điện được dập rãnh bên trong sau đó ghép lại với nhau tạo thành hình trụ rỗng, bên trong tạo thành các rãnh theo hướng trục để đặt dây quấn sau này Dọc chiều dài của thép stator cứ cách khoảng 3-6 cm lại có một rãnh thông gió ngang trục rộng 10mm Lõi thép stator được đặt cố định trong thân máy Thân máy phải được thiết kế sao cho hình thành một hệ thống thông gió để làm mát máy tốt nhất Nắp máy thường được chế tạo từ gang đúc, thép tấm hoặc nhôm đúc

- Dây quấn stator thường được chế tạo bằng đồng có tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật tùy công suất máy, bề mặt được phủ lớp cách điện, được quấn thành từng bối và lồng vào các rãnh của lõi thép stator, được đấu nối theo các quy luật nhất định tạo thành các sơ đồ hình sao hoặc tam giác

- Rotor máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên đường kính rotor có thể lớn, trong khi chiều dài lại nhỏ Rotor thường là đĩa nhôm hay nhựa trọng lượng nhẹ có độ bền cao Các nam châm được gắn chìm trong các đĩa này thường được gọi là máy từ trường hướng trục sử dụng trong kỹ thuật robot

(Nguồn:[6])

Hình 2.1: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi

1 – lõi thép stator; 2 – rotor; 3 – nam châm vĩnh cửu

(Nguồn:[6])

Hình 2.2: Mô hình đơn giản của động cơ đồng bộ ba pha rotor cực lồi

2.1.2.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn

- Stator của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn có cấu tạo tương tự như động cơ cực lồi

- Rotor của máy điện cực ẩn thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao,

được rèn thành khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm Khi

các thanh nam châm ẩn trong rotor có thể đạt được cấu trúc cơ học bền vững hơn, kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường có dạng hình trống được sử dụng trong các máy công cụ

1- lõi thép; 2 - rotor; 3- nam châm vĩnh cửu

2.1.3 Mô tả toán học ĐCĐBNCVC

Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến

mức tối đa đối tượng cần điều chỉnh Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện

rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh Tuy nhiên mô hình được xây dựng ở

đây chủ yếu để phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Để đơn giản

hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế trong phạm vi sai lệch cho phép ta giả thiết

rằng

- Các cuộn dây của stator được bố trí đối xứng về mặt không gian

- Bỏ qua tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ

- Các giá trị điện trở, điện cảm coi là không đổi

Hệ phương trình cơ bản của ĐCĐB

(2.1)

Với U sa (t),U sb (t),U sc (t): Điện áp trên 3 dây stator

i sa (t), i sb (t), i sc (t): Dòng điện trên ba dây stator

Ψ sa (t), Ψ sb (t), Ψ sc (t): Từ thông móc vòng của 3 cuộn dây stator

R s: Điện trở dây quấn stator

Ta có thể biểu diễn phương trình điện áp stator dưới dạng vector như sau:

Chỉ số “f” chỉ hệ quy chiếu rotor

Vector từ thông stator f

2.14 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor (d – q):

i sd : Thành phần dọc trục d của dòng điện stator

i sq : Thành phần dọc trục q của dòng điện stator

Phương trình (2.8) chuyển sang các thành phần của vector trên 2 trục tọa độ:

L T R

= : Hằng số thời gian trục d

sq sq s

L T R

Vậy (2.11) có dạng:

32

điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

Bằng cách điều chỉnh ba hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ

điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà

bộ điều khiển điểm vọt lố và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống

Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống Điều này đạt được bằng cách thiết kế đặt độ lợi của đầu ra không mong muốn về 0 Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu thiếu một trong hai giá trị trên các tác động bị khuyết Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân

có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn

(Nguồn:[6])

Hình 2.5: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

Một ví dụ quen thuộc của vòng điều khiển là hành động điều chỉnh vòi nước nóng và lạnh để duy trì nhiệt độ nước mong muốn ở đầu vòi nước Thường ta phải trộn hai dòng nước, nóng và lạnh lại với nhau Và chạm vào nước để cảm nhận hoặc ước lượng nhiệt độ của nó Dựa trên phản hồi này, ta đi diều chỉnh van nóng và van

lạnh cho đến khi nhiệt độ ổn định ở giá trị mong muốn

Giá trị cảm biến nhiệt độ nước là giá trị tương tự (analog), dùng để đo lường giá trị xử lý hoặc biến quá trình (PV) Nhiệt độ mong muốn được gọi là điểm đặt (SP) Đầu vào chu trình (vị trí van nước) được gọi là biến điều khiển (MV) Hiệu số giữa nhiệt độ đo và điểm đặt được gọi là sai số (e), dùng để lượng hóa được khi nào thì nước quá nóng hay khi nào thì nước quá lạnh bằng giá trị

Sau khi đo lường nhiệt độ (PV), và sau đó tính toán sai số, bộ điều khiển sẽ quyết định thời điểm thay đổi vị trí van (MV) và thay đổi bao nhiêu Khi bộ điều khiển mở van lần đầu, nó sẽ mở van nóng tí xíu nếu cần nước ấm, hoặc sẽ mở hết

cỡ nếu cần nước rất nóng Đây là một ví dụ của điều khiển tỉ lệ đơn giản Trong trường hợp nước nóng không được cung cấp nhanh chóng, bộ điều khiển van có thể tìm cách tăng tốc độ của chu trình lên bằng cách tăng độ mở của van nóng theo thời gian Đây là một ví dụ của điều khiển tích phân Nếu chỉ sử dụng hai phương pháp điều khiển tỉ lệ và tích phân, trong vài hệ thống, nhiệt độ nước có thể dao động giữa nóng và lạnh, bởi vì bộ điều khiển điều chỉnh van quá nhanh và vọt lố hoặc bù so với điểm đặt

Để đạt được sự hội tụ tăng dần đến nhiệt độ mong muốn (SP), bộ điều khiển cần phải yêu cầu làm tắt dần dao động dự đoán trong tương lai Điều này có thể thực hiện bởi phương pháp điều khiển vi phân

Giá trị thay đổi có thể quá lớn khi sai số tương ứng là nhỏ đối với bộ điều khiển có độ lợi lớn và sẽ dẫn đến vọt lố Nếu bộ điều khiển lặp lại nhiều lần việc thay đổi này sẽ dẫn đến thường xuyên xảy ra vọt lố, đầu ra sẽ dao động xung quanh điểm đặt, tăng hoặc giảm theo hình sin cố định Nếu dao động tăng theo thời gian thì hệ thống sẽ không ổn định, còn nếu dao động giảm theo thời gian thì hệ thống đó

ổn định Nếu dao động duy trì tại một biên độ cố định thì hệ thống là ổn định biên

độ Con người không thể xảy ra dao động như vậy bởi vì chúng ta là những “bộ”

điều khiển thích nghi, biết rút kinh nghiệm; Tuy nhiên, bộ điều khiển PID đơn giản không có khả năng học tập và phải được thiết đặt phù hợp Việc chọn độ lợi hợp lý

để điều khiển hiệu quả được gọi là điều chỉnh bộ điều khiển

Nếu một bộ điều khiển bắt đầu từ một trạng thái ổn định tại điểm sai số bằng

0 (PV=SP), thì những thay đổi sau đó bởi bộ điều khiển sẽ phụ thuộc vào những thay đổi trong tín hiệu đầu vào đo được hoặc không đo được khác tác động vào quá trình điều khiển, và ảnh hưởng tới đầu ra PV Các biến tác động vào quá trình khác với MV được gọi là nhiễu Các bộ điều khiển thông thường được sử dụng để loại trừ nhiễu và/ hoặc bổ sung những thay đổi điểm đặt Những thay đổi trong nhiệt độ nước cung cấp là do nhiễu trong quá trình điều khiển nhiệt độ ở vòi nước

2.2.2 Lý thuyết điều khiển PID

Về lý thuyết, một bộ điều khiển có thể được sử dụng để điều khiển bất kỳ một quá trình nào mà có một đầu ra đo được (PV), một giá trị lý tưởng biết trước cho đầu ra (SP) và một đầu vào chu trình (MV) sẽ tác động vào PV thích hợp Các bộ điều khiển được sử dụng trong công nghiệp để điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng chảy, tổng hợp tốc độ và các đại lượng khác có thể đo lường được Xe hơi điều khiển hành trình là một ví dụ cho việc áp dụng điều khiển tự động trong thực

tế

Các bộ điều khiển PID thường được lựa chọn cho nhiều ứng dụng khác nhau,

vì lý thuyết tin cậy, được kiểm chứng qua thời gian, đơn giản và dễ cài đặt cũng như bảo trì của chúng

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của

ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV) Ta có:

MV(t) = Pout + Iout + Dout (2.20) Trong đó, Pout , Iout và Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID, được xác định như dưới đây

Khâu tỉ lệ

Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với

giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó

với một hằng số K p, được gọi là độ lợi tỉ lệ

(Nguồn:[6])

Hình 2.6: Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp(Ki và Kd là hằng số)

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

P out = K p е(t) (2.21) Trong đó P out: Thừa số của tỉ lệ đầu ra

K p: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh

e: Sai số = SP-PV

t: Thời gian hay thời gian tức thời(hiện tại)

Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh vòng) Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn,

và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

Độ trượt: Nếu không có nhiễu, điều khiển tỉ lệ thuần túy sẽ không xác lập tại

giá trị mong muốn của nó, nhưng nó vẫn duy trì một sai số ổn định trạng thái, là một hàm của độ lợi tỉ lệ và độ lợi quá trình Đặc biệt, nếu độ lợi quá trình – trong khoảng thời gian dài bị trôi do thiếu điều khiển, như việc làm mát một lò nung tới nhiệt độ phòng – được ký hiệu G và giả sử sai số xấp xỉ là hằng số, khi đó droop –

độ trượt xảy ra khi độ lợi không đổi này bằng thừa số tỉ lệ của đầu ra, Pout với sai số

là tuyến tính, G = KPe do đó e = G/KP Khi thừa số tỉ lệ, đẩy vào thông số tới giá trị đặt, được bù chính xác bởi độ lợi quá trình, nó sẽ kéo thông số ra khỏi giá trị đặt Nếu độ lợi quá trình giảm, khi làm lạnh, thì trạng thái dừng sẽ nằm dưới điểm đặt,

ta gọi là “droop – độ trượt”

Chỉ các thành phần dịch chuyển (trung bình dài hạn, thành phần tần số không) của độ lợi quá trình mới tác động tới độ trượt – các dao động đều hoặc ngẫu nhiên trên hoặc dưới thành phần dịch chuyển sẽ bị triệt tiêu Độ lợi quá trình có thể thay đổi theo thời gian hoặc theo các thay đổi bên ngoài, ví dụ như nếu nhiệt độ phòng thay đổi, việc làm lạnh sẽ nhanh hơn hoặc chậm hơn

thể được giảm bớt bằng cách thêm một thừa số độ lệch (cho điểm đặt trên giá trị

mong muốn thực tế), hoặc sửa đổi bằng cách thêm một khâu tích phân (trong bộ điều khiển PI hoặc PID), sẽ tính toán độ lệch thêm vào một cách hữu hiệu Bất chấp

độ trượt, cả lý thuyết điều chỉnh lẫn thực tế công nghiệp chỉ ra rằng khâu tỉ lệ là cần thiết trong việc tham gia vào quá trình điều khiển

Khâu tích phân

Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên

độ sai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên

độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi

Độ lợi tích phân Ki

Thừa số tích phân được cho bởi:

0

t out i

I =K  d (2.22) Trong đó

Iout : Thừa số tích phân của đầu ra

Ki: Độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh

e: Sai số = SP-PV

t: Thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

τ: Một biến tích phân trung gian

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo

ra một độ lệch với các hướng khác) Để tìm hiểu thêm các đặc điểm của việc điều chỉnh độ lợi tích phân và độ ổn định của bộ điều khiển, xin xem phần điều chỉnh vòng lặp

Khâu vi phân

Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ Kd Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ)

trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân, Kd

Dout: Thừa số vi phân của đầu ra

Kd: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

e: Sai số = SP-PV

t: Thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân

và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân

đủ lớn Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng hơn Chẳng hạn như mạch bù sớm pha

Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của

bộ điều khiển PID Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là:

Trong đó các thông số điều chỉnh là:

Độ lợi tỉ lệ, Kp giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn,

bù khâu tỉ lệ càng lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động

Độ lợi tích phân, Ki giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt lố càng lớn, bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định

Độ lợi vi phân, Kd giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số

Bộ điều khiển tích phân PI:

Phương trình vi phân mô tả quan hệ tín hiệu vào và ra của bộ điều khiển:

e(t): Tín hiệu vào của bộ điều khiển

u(t): Tín hiệu ra của bộ điều khiển

làm việc theo luật tỉ lệ Khi Km = 0 thì bộ điều khiển làm việc theo luật tích phân Tín hiệu ra của bộ lệch so với tín hiệu vào một góc α (-π/2<α<0) Bộ điều khiển triệt tiêu sai lệch dư của hệ thống và đáp ứng được tính tác động nhanh Bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết ta xác định các tham số Km và Ti để bộ điều khiển đáp ứng đặc tính theo yêu cầu của hệ thống Để vừa tác động nhanh vừa triệt tiêu được sai lệch dư ngưới ta kết hợp quy luật tỉ lệ với quy luật tích phân tạo lên quy luật tỉ lệ tích phân Như vậy khi ω = 0 thì φ(ω)= π/2 còn khi ω = ∞, φ(ω)= 0 Tín hiệu ra chậm pha so với tín hiệu vào một góc trong khoảng -π/2 đến 0 phụ thuộc vào các tham số Km và Ti và tần số của tín hiệu vào Rõ ràng về tốc độ tác động quy luật PI

chậm hơn quy luật tỉ lệ và nhanh hơn quy luật tích phân Hình 2.10 mô tả các quá

trình quá độ của hệ thống điều chỉnh tự động sử dụng quy luật PI với các tham số

Km và Ti khác nhau

(Nguồn:[6])

Hình 2.10: Mô tả các quá trình quá độ điều chỉnh của quy luật PI

- Đường 1 nhận được khi Km nhỏ còn Ti lớn Tác động điều chỉnh nhỏ nên quá trình không dao động

- Đường 2 nhận được khi Km nhỏ Ti nhỏ Tác động điều chỉnh tương đối lớn và thiên về quy luật tích phân vì vậy tác động chậm, hệ thống dao động với tần số nhỏ Không tồn tại sai lệch dư

- Đường 3 mô tả quá trình khi Km lớn Ti lớn Tác động điều chỉnh tương đối lớn và thiên về quy luật tỉ lệ nên hệ thống dao động với tần số lớn tồn tại sai lệch

dư

- Đường 4 tương ứng với quá trình điều chỉnh khi Km lớn Ti nhỏ Tác động điều chỉnh rất lớn quá trình điều chỉnh dao động mạnh, thời gian điều chỉnh kéo dài

và không có sai lệch dư

- Đường 5 được xem như là quá trình tối ưu khi Km và Ti thích hợp với đối tượng điều chỉnh

- Trong thực tế quy luật PI được sử dụng khá rộng rãi và đáp ứng được chất lượng hầu hết các quy trình công nghệ Tuy nhiên do có thành phần tích phân nên tốc độ tác động của quy luật PI bị chậm đi, vì vậy nếu đối tượng có nhiễu tác động liên tục mà đòi hỏi độ chính xác cao thì quy luật PI không đáp ứng được

Trong thực tế nhiều giải pháp tổng hợp bộ điều khiển kinh điển thường bị bế tắc khi gặp những bài toán có độ phức tạp của hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, sự thường xuyên thay đổi trạng thái và cấu trúc của đối tượng…, hoặc giả sử nếu có thể tổng hợp được trong phạm vi lý thuyết thì khi thực hiện gặp không ít khó khăn

về giá thành và độ tin cậy trong sản phẩm Những khó khăn đó không còn là những vấn đề nan giải khi bộ điều khiển được thiết kế dựa trên cơ sở logic mờ và càng đơn giản hơn trong việc thực hiện giải pháp này

R1:Nếu Thì

Rq: Nếu Thì

.

So với các giải pháp kỹ thuật từ trước đến nay được áp dụng để tổng hợp các

hệ thống điều khiển, phương pháp tổng hợp hệ thống bằng đều khiển mờ chỉ ra những ưu điểm rõ rệt sau đây:

- Khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hình đối tượng, với các bài toán thiết kế có độ phức tạp cao, giải pháp dùng bộ điều khiển mờ cho phép giảm khối lượng tính toán và giá thành sản phẩm

- Bộ điều khiển mờ dễ hiểu hơn so với các bộ điều khiển khác (cả về kỹ thuật)

và dễ dàng thay đổi

- Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững hơn và chất lượng điều khiển cao hơn

2.3.2 Bộ điều khiển mờ cơ bản

Bộ điều khiển mờ cơ bản ([3], ([10], [17]) gồm những thành phần cơ bản bao gồm khâu Fuzzy hóa, thiết bị thực hiện luật hợp thành và khâu giải mờ Một bộ điều khiển mờ chỉ gồm ba thành phần như vậy có tên gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản

Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ có khả năng xử lý các giá trị tín hiệu hiện thời nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển tĩnh Tuy vậy để mở rộng miền ứng dụng của chúng vào các bài toán điều khiển động (hình 2.7) Các khâu động đó chỉ có nhiệm

vụ cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ cơ bản các giá trị đạo hàm hay tích phân của tín hiệu Cùng với những khâu bổ sung này bộ điều khiển cơ bản sẽ được gọi là

bộ điều khiển mờ

2.3.3 Nguyên lý điều khiển mờ

Về nguyên tắc, hệ thống điều khiển mờ cũng không có gì khác với các hệ thống điều khiển tự động thông thường khác Sự khác biệt ở đây là bộ điều khiển

mờ làm việc có tư duy như “bộ não” dưới dạng trí tuệ nhân tạo Nếu khẳng định làm việc với bộ điều khiển mờ có thể giải quyết mọi vấn đề từ trước tới nay chưa giải quyết được theo phương pháp điều khiển kinh điển thì không hoàn toàn chính xác, vì hoạt động của bộ điều khiển phụ thuộc vào kinh nghiệm và phương pháp rút

ra kết luận theo tư duy của con người, sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở của logic mờ Hệ thống điều khiển mờ do đó cũng có thể coi như là một hệ thống neuron (hệ thần kinh), hay đúng hơn là một hệ thống điều khiển được thiết kế mà không cần biết trước mô hình của đối tượng

P D

Hình 2.13: Hệ kín phản hồi âm với sự tham gia của bộ điều khiển mờ

Hệ thống điều khiển mờ được thiết kế như hình 2.9

- Giao diện đầu vào bao gồm khâu Fuzzy hóa và các khâu phụ trợ thêm để thực hiện các bài toán động như tích phân, vi phân…

- Thiết bị hợp thành cơ bản của nó, là sự triển khai luật hợp thành R được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển hay như trong một số tài liệu khác gọi là luật quyết định

- Khâu giao diện đầu ra gồm khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đối tượng

Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ ngõ vào ra và sự lựa chọn những luật điều khiển Do các bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý các giá trị vào/ra biểu diễn dưới dạng dấu phẩy động với độ chính xác cao nên chúng hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu của một bài toán điều khiển rõ ràng và chính xác

Trái tim của bộ điều khiển mờ chính là luật điều khiển mờ cơ bản có dạng là tập các mệnh đề hợp thành cùng cấu trúc Nếu…Thì….và nguyên tắc triển khai các mệnh đề hợp thành và nguyên tắc triển khai các mệnh đề hợp thành đó có tên gọi là

nguyên tắc Max - Min hay Sum - Min… Mô hình R của luật điều khiển được xây dựng theo một nguyên tắc triển khai đã chọn trước và có tên gọi là luật hợp thành Thiết bị thực hiện luật hợp thành cơ bản của luật hợp thành là luật điều khiển và nguyên tắc triển khai như một động cơ và luật điều khiển như là nguồn cung cấp năng lượng cho động cơ quay Để cho thiết bị thực hiện luật điều khiển làm việc đúng chế độ phải chọn cho nó các biến ngôn ngữ hợp lý có khả năng biểu diễn các đại lượng vào/ra chuẩn và phù hợp với luật điều khiển Dạng đúng của các luật điều khiển mờ cơ bản được hình thành nhờ quá trình luyện tập và kinh nghiệm thiết kế

2.4 Điều chế vector không gian

Phương pháp điều chế vector không gian [4,5,11,14] xuất phát từ các ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong hệ thống điện ba pha Phương pháp điều chế vector không gian và các dạng cải biến của nó có tính hiện đại giải thuật dựa chủ yếu vào kỹ thuật số và là các phương pháp sử sụng phổ biến nhất hiện nay trong lĩnh vực điện tử công suất liên quan đến điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện

Khái niệm vector không gian và phép biến hình vector không gian cho đại lượng ba pha va , vb, vccân bằng, tức thỏa mãn hệ thức:

va + vb+ vc = 0 (2.27) Phép biến hình từ các đại lượng ba pha va , vb, vc sang đại lượngvector v theo

Được gọi là phép biến hình vector không gian và đại lượng vector v gọi là vector không gian của đại lượng ba pha

Hằng số k có thể chọn với các giá trị khác nhau Với k = 2/3 phép biến hình

không bảo toàn công suất, với 2

3

k = phép biến hình bảo toàn công suất

2.4.1 Phương pháp điều chế vector không gian

Phương pháp điều khiển sáu bước tạo nên sự dịch chuyển nhảy cấp tuần hoàn của vector không gian của sáu vị trí đỉnh của hình lục giác Điều này làm quá trình điện áp pha tải nghịch lưu hình thành chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao Hệ quả là quỹ đạo vector không gian bị biến đổi về pha và modul so với trường hợp áp

ba pha tải dạng sine Mặc khác, phương pháp điều chế độ rộng xung dạng sine dù tạo ra điện áp pha tải gần dạng sine nhưng chỉ có thể đảm bảo phạm vi điều khiển thành phần điện áp cơ bản của pha tải đến biên độ Vd/2 Phương pháp điều chế vector không gian khắc phục được các nhược điểm của hai phương pháp nêu trên

Ý tưởng của phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của vector không gian tương đương của vector điện áp bộ nghịch lưu trên quỹ đạo đường tròn, tương tự như trường hợp vector không gian của đại lượng sin ba pha tạo được Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo tròn, các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển

và biên độ áp ra trở nên tuyến tính Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu

gian T1 vector v2 trong thời gian T2 và vector v0trong thời gian còn lại (Ts – T1 –

T2) Vector tương đương được tính bằng vector trung bình bởi chuỗi tác động liên tiếp nêu trên, tức là:

Vector V gồm thành phần theo trục X với độ lớn tỉ lệ với tổng thời gian tác động 1+ 2và thành phần theo trục Y tỉ lệ với hiệu  1− 2

Từ các hệ thức trên và H.3.5, ta nhận xét thấy rằng:

- Khi thời gian tác động τ1 của vector v1bằng 0, vector trung bình V có đỉnh nằm trên đoạn thẳng nối giữa hai đỉnh của vector không v0và vector v2 Khi thời

gian tác dộng τ2 của vector v2bằng 0, vector trung bình V có đỉnh nằm trên đoạn

thẳng nối giữa hai đỉnh của hai vector không v0và vectorv1 Khi thời gian tác

độngτ0của vector v0 bằng 0, vector trung bình V có đỉnh nằm trên đoạn thẳng nối giữa hai đỉnh của vector không v1và vector v2 Khi thời gian tác động của mỗi vector đều lớn hơn không (τ0>0), (τ 1 >0;τ 2>0) vector V nằm trong mặt phẳng giới hạn bởi ba đỉnh của ba vector v0,v1 và v2 Bán kính đường tròn quỹ đạo vector lớn nhất nội tiếp bên trong hình lục giác có độ lớn tương ứng bằng V d / 3 Tùy theo

dấu của biểu thức (τ 1 – τ 2) dương hoặc âm mà vị trí vector V sẽ trước hoặc sau pha

Với: Vd – là đện áp mạch nguồn DC của bộ nghịch lưu áp

Nếu vector vi (v ,i,v ,i ) nằm ở góc phần sáu thứ i so vớigóc phần sáu thứ

nhất với các vector cơ bản v vi,1, i,2và v0việc tính toán thời gian tác động τ 1 ;τ 2 ;τ 0 của các vector trên có thể thực hiện bằng cách qui đổi vector vi về góc phần sáu thứ

nhất – tức v Phép qui đổi thực hiện theo công thức sau:

i i

Bán kính đường tròn này chính bằng biên độ thành phần cơ bản điện áp pha tải

2.4.2 Kỹ thuật thực hiện điều chế vector không gian

Ví dụ, trong góc phần sáu thứ nhất với các vector cơ bản V V1, 2 và các vector không, để điều khiển vector trung bình dịch chuyển đều đặn trên quỹ đạo đường tròn bên trong hình lục giác các vị trí 1,2,3,4, trật tự trạng thái các vector cơ bản v0,





1, 2

v v ,v7có thể thực hiện như trên hình H.3.4 Trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu

Ts, thời gian tồn tại các trạng thái T1,T2 và T0 được xác định từ module và pha của vector dựa theo các công thức (2.13), thời gian T0 bao gồm tổng thời gian xuất hiện vector V7(T02)

(Nguồn:[6])

Hình 2.15: Phạm vi điều khiển tuyến tính của SVPWM

Thông thường, một trong các tiêu chuẩn để chọn giản đồ kích đóng linh kiện

là sao cho giảm thiểu tối đa số lần chuyển mạch của linh kiện để giảm tổn hao do quá trình đóng ngắt chúng Số lần chuyển mạch sẽ ít nhất nếu ta thực hiện trình tự điều khiển các vector

nguyên lý từ thông áp dụng cho tải là động cơ không đồng bộ Nguyên lý hoạt động của nó được minh họa theo sơ đồ vẽ trên H.2.15 Tùy theo yêu cầu vận tốc động cơ, khối chức năng có nhiệm vụ chọn một trong tám vector điện áp cơ bản để điều khiển bộ nghịch lưu

Thuật toán điều khiển theo nguyên lý từ thông là điều khiển lượng vector điện

áp theo thời gian di chuyển bám sát quỹ đạo đường tròn Sử dụng phương trình máy điện không đồng bộ để giải thích nguyên lý trên, giả sử bỏ qua ảnh hưởng của điện trở stator, ta có:

s k

V - là vector điện áp bộ nghịch lưu đặt lên mạch stator

Giả sử tại thời điểm t = 0, vector từ thông bằng 0(0) thì tại thời điểm t xác định, ta có:

0 0

t

S t V K t dt

 = + (2.41)

Giả sử tại thời điểm t =0, vector V1(S1S2S6) đang tác dụng và lượng vector V1

(vector từ thông) sẽ di chuyển nên quỹ đạo – đường 1 Để trong góc phần sáu được khảo sát trên H.3.6, vector từ thông không vượt ra khỏi phần quỹ đạo giới hạn bởi hai đường tròn đồng tâm, vector điện áp sẽ thay đổi giữa các trạng thái V1(đường 1), V2(đường 2) và V0điểm 0) Tiếp tục như vậy, trong góc phần sáu tiếp theo, sự di chuyển của vector từ thông sẽ do ba vector điện áp V V2, 3và V0gây nên Số lần chuyển đổi trạng thái của các vector điện áp sẽ phụ thuộc vào độ sai lệch cho phép được thiết lập cho hai quỹ đạo từ thông giới hạn

Xác định thời gian kích

Mạch tạoXung kích

(Nguồn:[6])

Hình 2.16: Modul vector không gian

Trạng thái vector điện áp cần tác dụng cũng như thời gian tác dụng cực đại của chúng sẽ được tính toán trước bởi khối 1 Nếu điều khiển thời gian tác dụng của vector không V0kéo dài, tốc độ di chuyển của vector từ thông sẽ chậm lại và giá trị tần số đồng bộ từ thông ωs sẽ nhỏ đi

Nếu lượng vector điện áp đi bám sát quỹ đạo đường tròn với sai số đủ nhỏ, vector từ thông stator đạt được di chuyển theo quỹ đạo đường tròn Thời gian tác động các vector điện áp bộ nghịch lưu phải được tính toán trước để vector từ thông không vượt ra ngoài hai quỹ đạo tròn giới hạn Điều chế vector không gian cải biến (Modified space vector modulation)

Một số tác giả đưa ra phương pháp điều chế vector không gian cải biến trong

đó, trình tự chuyển mạch giữa các vector được thực hiện theo sau:

phát sinh do quá trình đóng ngắt Lượng sóng hài sẽ giảm đối với chỉ số điều chế cao khi sử dụng phương pháp điều chế vector cải biến Ngược lại, lượng sóng hài sẽ thấp hơn đối với chỉ số điều chế thấp khi áp dụng kỹ thuật điều chế vector theo (2.24)

2.5 Bộ lọc Kalman

Bộ lọc là thuật toán tối ưu ước lượng trạng thái của một quá trình, nó ước lượng chính xác giá trị của phép đo bằng phương pháp tính toán đệ quy Ta xét động cơ PMSM mà ta thiết kế bộ lọc với chuỗi trạng thái và mỗi trạng thái đầu vào (ví dụ trong PMS: điện áp stator), đầu ra (biến đổi đều: dòng điện stator) và ẩn số ( biến đổi không đều như tốc độ, góc từ thông rotor) PMSM là động cơ phi tuyến do đó

bộ lọc Kalman mở rộng là giải pháp tối ưu cho quy trình ước lượng trạng thái của

nó Phương trình toán học phi tuyến ngẫu nhiên PMSM có thể được viết dưới dạng sau:

x(t) = f[x(t)] + Bu(t) + σ(t) (2.44)

y(t) = h[x(t)] +µ(t) (2.45)

với x(t), u(t), y(t) là các hệ thống trạng thái, đầu vào và đầu ra riêng biệt σ(t)

và µ(t) là nhiễu quá trình và nhiễu đo lường tương ứng với hiệp phương sai Q(t) và r(t) f[x(t)] và h[x(t)] biểu thị cho ma trận hàm chuyển vị phi tuyến và ma trận hàm

đo lường phi tuyến, biến đổi theo thời gian

Ý tưởng cơ bản mở của bộ lọc Kalman ([10]) giảm bậc là tuyến tính hóa mô hình trạng thái của phương trình (2.35) và (2.36) ở thời điểm tức thời xung quanh giá trị ước lượng hiện tại, tùy thuộc vào hàm đang được xét Khi ta thu được mô hình tuyến tính thì phương trình chuẩn bộ lọc kalman được ứng dụng

Phương trình tuyến tính đảo như sau:

δx(t) = F(x(t))δx(t) + Bδu(t) + σ(t) (2.46)

1 1 1 1

2.6 Tổng quan về ngôn ngữ lập trình VHDL

2.6.1 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình VHDL

“Very High Speed Integrated Circuit”[5] là một ngôn ngữ chuẩn trong công nghiệp, được sử dụng để mô tả phần cứng từ mức trừu tượng tới mức cụ thể VHDL nhanh chóng trở thành một ngôn ngữ được sử dụng rộng rãi trên thế giới cho những thiết kế có độ phức tạp trung bình Các thiết kế sử dụng ngôn ngữ VHDL được hỗ trợ bởi máy tính, FPGA, các tiêu chuẩn trên VHDL được hỗ trợ bởi công cụ của nó, các công cụ này bao gồm: mô phỏng, tổng hợp, định đường đi,….VHDL là một nhánh của chương trình “Very High Speed Integrated Circuit” (VHSIC), được phát triển bởi Department of Defense vào đầu thập niên 80 Mục tiêu của chương trình

VHSIC là tạo ra những mạch điện được tích hợp thông dụng mới

Chương trình đã đạt được những thành công đáng ngạc nhiên, nhưng trong quá trình phát triển những mạch điện có độ phức tạp lớn, người thiết kế căn cứ vào những công cụ đã được sử dụng để tạo ra những thiết kế lớn thì không có đầy đủ, các công cụ hỗ trợ cho người thiết kế hầu hết ở mức cổng tạo ra một thiết kế sử dụng hàng trăm, hàng nghìn cổng mà sử dụng dạng mức cổng thì thật sự là một nhiệm vụ cực kỳ khó khăn Chính vì thế một phương pháp mô tả mới được ra đời

đó là VHDL Ban đầu VHDL được thiết kế như một ngôn ngữ dùng chung để cung cấp các tài liệu & mô phỏng Sau đó VHDL đã bao gồm các công cụ tổng hợp để tả thiết kế ở mức thanh ghi (Register transfer Level)

Vào năm 1981, một ngôn ngữ mô tả phần cứng đã được đề nghị & được gọi là VHSIC Hardware Description Language mà ngày nay chúng ta được gọi là VHDL Mục đích của ngôn ngữ mới này bao gồm hai phần:

Đầu tiên người thiết kế muốn có một ngôn ngữ giúp họ có thể vận dụng để mô

tả các mạch điện phức tạp, kế tiếp họ muốn ngôn ngữ đó trở thành một chuẩn để tất

cả mọi người làm việc trong môi trường VHSIC có thể phân phối các thiết kế của

họ tới những người khác trong một định dạng chuẩn từ những chương trình con có thể sắp xếp để tạo thành một chương trình chính với một định dạng chuẩn duy nhất Năm 1986 VHDL đã đưa ra một chuẩn gọi là IEEE, chuẩn này đã qua một số lần thay đổi, sửa chữa & đã công nhận là chuẩn IEEE 1076 vào tháng 12 năm 1987

2.6.2 Các đặc điểm chính của ngôn ngữ VHDL

Đặc tính tổng quát:

VHDL có thể được sử dụng để làm tài liệu thiết kế, thiết kế mức độ cao, mô phỏng tổng hợp và kiểm tra phần cứng, nó cho phép kiểm tra phần cứng từ mức hệ thống tới mức cổng Hỗ trợ tính toán đồng thời nghĩa là các hợp phần từ nhỏ đến lớn hoạt động tại mọi thời điểm

Hỗ trợ phân cấp thiết kế:

Khi thiết kế bằng VHDL người thiết kế có thể phân bài toán lớn thành những bài toán nhỏ hơn sao cho có thể giải quyết & quản lý dễ dàng Đây là đặc tính thiết yếu của ngôn ngữ phần cứng đa cấp, thiết kế chứa một mô tả giao diện & một số phần độc lập để mô tả hoạt động Hoạt động của hệ thống có thể được đặc tả dựa trên cấu trúc của những hợp phần nhỏ hơn của chúng, đặc tả cấu trúc trúc có thể thực hiện ở các cấp cần thiết

Các thư viện hỗ trợ

Ngôn ngữ VHDL cung cấp cơ chế để truy cập tới nhiều thư viện khác nhau, thư viện không những chỉ chứa đặc tả giao diện thiết kế, mà còn chứa một số đặc tả hoạt động của hệ thống, các đặc tả & các mẫu có thể dựa vào thư viện để sau khi dịch bởi chương trình dịch Với đặc điểm này người thiết kế có thể tạo ra những thư viện riêng có chứa các thành phần dành cho những thiết kế sau này mà không phải thiết kế lại, điều này cho phép người thiết kế rút ngắn thời gian thiết kế & quá trình

thiết kế trở nên đơn giản hơn rất nhiều

Các lệnh tuần tự:

Khi người thiết kế phân chia hệ thống thành những hợp phần đồng thời hay những phần con, tiếp đó người thiết kế có thể mô tả hoạt động chi tiết bên trong bằng những ngôn ngữ lập trình như: case, if – then – else, loop,…các lệnh tuần tự cung cấp các phương pháp đơn giản để tạo ra các hợp thành phần cứng dựa trên chức năng của chúng Với các lệnh tuần tự người thiết kế có thể mô tả hệ thống một cách dễ dàng & linh hoạt, ngoài ra còn giúp cho người làm việc chung trong một nhóm có thể dễ dàng hiểu được ý tưởng thiết kế của nhau để có sự phối hợp tốt hơn

Thiết kế tương thích chung:

Để thiết kế tổng quát, ngôn ngữ VHDL cho phép người thiết kế đặt cấu hình

mô tả hợp phần có thông số chung trong thiết kế, mô tả tương thích chung có thể thay đổi kích thích, đặc tính vật lý, định thời, đặc tính tải & môi trường hoạt động của thiết kế:

Khai kiểu 7 cách dùng:

Ngôn ngữ VHDL cho phép mô tả các biến số ở kiểu như: bít, Boolean, integer, floating point, kiểu liệt kê, kiểu dãy, bản ghi, ngoài ra còn hỗ trợ các kiểu do người thiết kế định nghĩa VHDL cũng cho phép người thiết kế trong việc linh hoạt các thiết kế của mình

Điều khiển định thời:

Một đặc điểm đặc biệt của ngôn ngữ VHDL là cho phép đặc tả định thời ở tất

cả các cấp, nó cho phép người thiết kế đặt giá trị của tín hiệu với thời gian chậm, định nghĩa tín hiệu đồng bộ, đặc tả độ rộng xung, các ràng buộc thời gian khác…, người thiết kế có thể căn cứ vào những điểm này để định các giá trị tín hiệu sao cho phù hợp với các thiết kế phần cứng