Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ PMSM sử dụng PID thích nghi và bộ quan sát trượt: luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay với sự phát triển không ngừng của các khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM được áp dụng rất nhiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN VŨ QUỲNH

ĐỒNG NAI, THÁNG 11 NĂM 2018

em trong xuất quá trình học và thực hiện luận văn

Tuy nhiên vì kiến thức chuyên môn còn hạn chế và bản thân còn thiếu kinh nghiệm trong nguyên cứu nên nội dung báo cáo không thể tránh thỏi những thiếu sót, Xin trân trọng cảm ơn Quý Thầy Cô trong Hội Đồng chấm luận văn đã có những góp ý

về những thiếu sót của bài luận văn này, giúp luận văn càng hoàn thiện hơn

Cuối cùng để có được thêm nhiều sự hiểu biết, kiến thức như ngày hôm nay, cho phép em gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Quý Thầy Cô Trường Đại Học Lạc Hồng, trong thời gian qua đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, và chưa được công bố trong các công trình khác, nếu không đúng như đã nêu ở trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiện về đề tài của mình

Tác giả luận văn

Phạm Dương Danh

TÓM TẮT

Sự phát triển của động cơ nam châm vĩnh cửu ngày càng một phát triển, công nghệ ngày càng một được đổi mới, giúp động cơ có tính ổn định, góp phần không thề nhỏ đề có được những tính năng điều khiển chính xác, sự ổn định khi chạy ,đó là nhờ các phương pháp điều khiển, các phương pháp điều khiển giúp mọi người có thể điều khiển được động cơ theo ý muốn, tránh những sai xót trong các khâu xử lí, gia công chi tiết các thiết bị nhỏ

Hiện nay có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu, như một số phương pháp điều khiển bằng PID, phương pháp điều khiển neutral, phương pháp FPGA,… Và nhiều phương pháp khác, mỗi phương pháp sẽ có từng điểm mạnh yếu riêng, tùy vào công việc và môi trường làm việc sẽ có những phương pháp được biến đổi và thích nghi để có thể điều khiển động cơ hoạt động theo mong muốn

Với đề tài luận văn “Thiết Kế Bộ Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ PMSM Sử Dụng PID Thích Nghi Và Bộ Quan Sát Trượt” bằng phương pháp nghiêm cứu thực nghiệm

mô phỏng, tác giả sử dụng phần mên matlap Simulink để xác định tính chính xác của động cơ trong mô phỏng

Kết quả nguyên cứu cho thấy phương pháp điều khiển ban đầu đáp ứng được nhu cầu đề ra, mặt khác vẫn còn những sai số không đáng có trong kết quả

Kết quả này sẽ là cơ sở cho những nguyên cứu tiếp theo để có thể xây dựng mô hình điều khiển chính xác hơn trong các phương pháp điều khiển, nâng cao khả năng điều khiển đang hiện có, xây dựng những phương pháp điều khiển mới tốt hơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các nguyên cứu liên quan 2

1.3 Mục tiêu nguyên cứu của đề tài 3

1.4 Đối tượng và phạm vi nguyên cứu 3

1.5 Nội dung thực hiện 3

1.6 Mục tiêu đề tài 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Giới thiệu chung 5

2.2 Nguyên lý cấu tạo PMSM 5

Vật liệu nam châm vĩnh cửu 5

Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu 5

Mô hình toán học đông cơ nam châm vĩnh cửu 8

2.3 Phương pháp điều khiển PID 10

Khái quát về bộ điều khiển PID 10

Khái niệm điều khiển thích nghi 13

2.4 Khái niệm điều khiển mờ (Fuzzy) 15

Giới thiệu 15

Phương pháp thiết kết bộ điều khiển mờ cơ bản 16

Nguyên lý thiết kế điều khiển mờ 18

2.5 Điều chế vector không gian 20

Biến tần 3 pha 20

Phương pháp điều khiển PWM 21

Phương pháp điều chế độ rộng xung 22

2.6 Bộ quan sát chế độ trượt (Sliding Mode Controller :SMO) 23

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG 27

3.1 Bộ điều khiển Vector 27

Phương pháp biển đổi Clarke 28

Phương pháp biến đổi park 29

Phương pháp chuyển đổi Inverse Park 31

3.2 Khối điều khiển PI 34

3.3 Khối tạo vector (sin/cos) 35

3.4 Khối tạo xung svpwm 35

3.5 Khối mô phỏng SMO (bộ quan sát trượt) 39

3.6 Khối PID thích nghi 42

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 47

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Mô hình động cơ rotor cực lồi 6

Hình 2.2: Trục tọa độ động cơ rotor cực lồi 6

Hình 2.3: Mô hình động cơ rotor cực ẩn 7

Hình 2.4: Tọa độ d, q rotor cực ẩn với Ld < Lq 8

Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ PMSM sử dụng PID thích nghi và bộ quan sát trượt 9

Hình 2.6: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 10

Hình 2.7: Mô tả vòng điều khiển thích nghi 14

Hình 2.8: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống điều khiển thích nghi 14

Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ hồi tiếp 16

Hình 2.10: Cấu trúc chung bộ điều khiển mờ 18

Hình 2.11: Ví dụ tính hiệu đầu vào e(t) 19

Hình 2.12: Bộ biến đổi điện áp kết nối với động cơ 20

Hình 2.13: Mô hình SPWM 22

Hình 2.14: Dạng sóng SPWM cơ bản 23

Hình 2.15: Hình mô phỏng trạng thái SMO với x ̂ là trạng thái ước tính và x là trạng thái thực 24

Hình 2.16: Sơ đồ khối mô phỏng hoạt động SMO 26

Hình 3.1: Sơ đồ kết nối Simulink bộ điều khiển dòng và SMO 27

Hình 3.2: Hướng của các trực của cuộn dây stator trong khung tham chiếu abc và khung tham chiếu station 0 cố định 28

Hình 3.3: Các thành phần α,β và zero trong khung tham chiếu cố định 28

Hình 3.4: Hướng của các trục từ của cuộn dây stator trong khung tham chiếu abc và khung tham chiếu xoay dq 29

Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng Simulink clark, park, inverse park, inverse clark 32

Hình 3.6: Biểu đồ mô phỏng góc kích theta động cơ 33

Hình 3.7: Biểu đồ hiển thị tín hiệu đầu ra của khối inverse park 33

Hình 3.8: Biểu đồ hiển thị tín hiệu đầu ra của khối inverse park 34

Hình 3.9: Sơ đồ mô tả khối PI 35

Hình 3.10: Sơ đồ khối sin/cos 35

Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng bộ chuyển đổi ba pha 36

Hình 3.12 Mô tả vector điện áp trên mặt phảng α,β 36

Hình 3.13: Sơ đồ khối SMO 41

Hình 3.14: Hình tam giác đối xứng của e, de và bảng luật Fuzzy 42

Hình 3.15: Sơ đồ khối bộ PID thích nghi sử dụng thuật toán Fuzzy điều khiển 44

Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng Simulink 48

Hình 4.2: Dòng điện ia, ib, ic của động cơ 49

Hình 4.3: Dòng id, iq của khối biến đổi park 50

Hình 4.4: Giá trị tín hiệu góc quay rotor(rad) 50

Hình 4.5: Dòng điện ia, ib của khối biến đổi Clark 51

Hình 4.6: Mô phỏng động cơ với giá trị đặt 500(rpm) 52

Hình 4.7: Mô phỏng động cơ với giá trị đặt 800(rpm) 52

Hình 4.8: Tốc độ cài đặt yêu cầu và giá trị nhận được 53

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Công suất và thời gian chuyển mạch linh kiện bán dẫn 21Bảng 3.1: Bảng thời gian chuyển mạch với tính hiệu sóng tam giác làm tham chiếu 38Bảng 3.2: Bảng luật Fuzzy PID, ∆K_P 45Bảng 3.3: Bảng luật Fuzzy PID, ∆K_I 45Bảng 3.4: Bảng luật Fuzzy PID, ∆K_D 45

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay với sự phát triển không ngừng của các khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được áp dụng rất nhiều vào trong các ngành chế tạo, gia công cơ khí chi tiết máy, các sản phẩm robot nhằm phục

vụ và thay thế con người trong các môi trường nguy hiểm v.v…Với việc động cơ PMSM

đã đạt được nhiều sự chấp nhận rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển chuyển động do

có hiệu suất cao, cấu trúc nhỏ gọn, mật độ công suất cao, moment xoắn cao Nhiều nghiên cứu gần đây đã báo cáo cho việc sử đụng động cơ PMSM trong các ứng dụng

có hiệu suất cao như robot công nghiệp và điều khiển động cơ Việc điều khiển thiết bị với động cơ cần có tính linh hoạt và độ chính xác cao với các sai số nhỏ có thể làm việc quá độ trong thời gian dài và có độ ổn định cao đáp ứng nhanh các yêu cầu điều khiển

Vì vậy trong điều khiển, việc điều khiển động cơ đóng vai trò rất quan trọng nhằm xử

lí được những yêu cầu cao, chính xác đáp ứng được các nhu cầu khắt khe trong điều khiển cho công suất lớn hơn cũng như dải điều khiển tốc độ cho phép ngày càng mở rộng và luôn nâng cao tính cải tiến trong hệ thống điều khiển tự động

Điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu chủ yếu bao gồm hai thành phần đó là loại bộ điều khiển được sử dụng và thuật toán được triển khai, có nhiều cách tiếp cận liên quan đến cả bộ điều khiển được sử dụng cho hệ thống truyền động Để nâng cao hiệu suất điều khiển nhiều phương pháp nguyên cứu được áp dụng để đưa ra nhiều giải thuật cải tiến trong vấn đề điều khiển, nhưng mỗi phương pháp đề ra đều có những điểm mạnh và điểm yếu riêng của từng phương pháp, và khi chọn lựa hệ thống điều khiển thường chọn hệ thống điều khiển tối ưu cho cơ cấu và hệ điều khiển nhằm đạt được mục đích tốt nhất trong hệ thống Chất lượng các hệ thống điều khiển truyền động điện phụ thuộc rất nhiều vào các phương pháp điều khiển Một số phương pháp tiêu biểu để nhằm điều khiển các hệ truyền động được áp dụng như: Phương pháp điều chỉnh thích nghi, điều chỉnh tuyến tính, điều chỉnh chế độ trượt, kiểm soát thời gian hữu hạn, mạng nơtron (neural) nhân tạo, hệ mờ (Fuzzy)….Và một số hệ điều khiển lai

Xu hướng điều khiển hiện nay để điều khiển hệ thống chính xác vẫn đang sử dụng các cảm biến, encoder để đo tốc độ vòng quay hồi tiếp về bộ điều khiển, nhưng lại làm tăng giá thành của hệ thống, việc sử dụng động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu trong công nghiệp ngày nay gia tăng mạnh với các ưu điểm tốc độ nhanh, làm việc với sai số nhỏ, hệ làm việc trong thời gian quá độ và có sự ổn định cao, khả năng đáp ứng nhanh với nhu cầu điều khiển,… Hướng tới những mục đích trên học viên lựa

chọn đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ PMSM sử dụng PID thích nghi

và bộ quan sát trượt ” Đề tài thực hiện thành công sẽ mở ra hướng điều khiển chính

xác tốc độ động cơ không sử dụng cảm biến giúp nâng cao chất lượng điều khiển, giảm giá thành sản phẩm, tối ưu hóa hệ thống điều khiển thực tế hơn

1.2 Các nguyên cứu liên quan

Với sự phát triển không ngừng cùa khoa học kỹ thuật, sự đòi hỏi ngày càng cao của các thiết bị công nghiệp nên yêu cầu có những kỹ thuật điều khiển phù hợp Vì thế

mà đã có các nguyên cứu ngoài nước về lĩnh vực điều khiển chính xác được đưa ra như một số phương pháp nguyên cứu

“Optimized FPGA design, verification and implementation of a neuro-fuzzy controller for PMSM drives” [1] đề tài trình bày công nghệ điều khiển động cơ PMSM bằng neuro-fuzzy controller dựa trên công nghê FPGA với chức năng tăng hiệu suất cho hệ thống truyền động PMSM, bộ điều khiển mờ (Fuzzy controller –FC) được điều khiển bởi mạng thần kinh nhân tạo (neural network) được áp dụng cho bộ điều khiển tốc độ để đáp ứng lại thay đổi của hệ thống

“Design and simulation of adaptive speed control for SMO-Based sensorless PMSM Drive” [2] đề tài thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển thích nghi SMO điều khiển động cơ PMSM không cảm biến, trình bày bộ điều khiển PI thích nghi cho hệ thống truyền động cơ đồng bộ vĩnh cửu không cảm biến, vị trí rotor của PMSM được xác định bằng bộ quan sát trượt (sliding mode observer- SMO), vị trí ước tính của rotor gửi tín hiệu vòng lặp hiện tại để điều khiển vector và phản hồi đồng thời với vòng lặp tốc độ

để điều khiển tốc độ

“ A Sliding Mode Observer for PMSM Speed and Rotor Position Considering saliency” [3] đề tài trình bày công nghệ SMO trong điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu PMSM và xem xét tính hiệu quả của việc điều khiển không cảm biến, nguyên cứu một SMO dựa trên mô hình EEMF mở rộng( Extended Electromotive Force) của PMSM khi tín hiệu hồi tiếp cung cấp một tốc độ ước tính cho SMO dựa trên EEMF để đảm bảo tính ổn định trong việc hội tụ với mặt phẳng của chế độ trượt

Ngoài các phương pháp nêu trên còn có nhiều các phương pháp nguyên cứu liên quan đều đưa ra các kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ tương đối tốt nhưng mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng, như sai số, giá thành cao, đáp ứng tốt với tốc

độ đặt nhưng thời gian đáp ứng chậm,…

1.3 Mục tiêu nguyên cứu của đề tài

Điều khiển thành công động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng phương pháp PID thích nghi và bộ quan sát trượt, đáp ứng được tốc độ diều khiển, giảm thiểu sai số tốc

độ và độ vọt lố

1.4 Đối tượng và phạm vi nguyên cứu

Đối tượng tập trung phân tích động cơ nam châm vĩnh cửu, phân loại, các phương pháp điều khiển động cơ, …

Phạm vi nguyên cứu tập trung vào hướng nguyên cứu sử dụng PID thích nghi và

bộ quan sát trượt, nêu được phương pháp điều khiển thông số PID, mô phỏng bộ quan sát trượt kết hợp PID

1.5 Nội dung thực hiện

Nguyên cứu tài liệu về động cơ nam châm vĩnh cửu, phân tích cấu tạo, nguyên lí hoạt động

Nguyên cứu các phương pháp điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu trong và ngoài nước, những ưu khuyết điểm của các phương pháp

Tìm hiểu hệ mờ Fuzzy điều khiển và bộ quan sát trượt SMO

Tìm hiểu phương pháp điều khiển sử dụng PID thích nghi bằng phương pháp Fuzzy kết hợp PID

Sử dụng phầm mền mô phỏng Matlap Simulink thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ sử dụng PID thích nghi kết hợp với bộ quan sát trượt

1.6 Mục tiêu đề tài

Mục đích của luận án thiết kế và thực hiện mô phỏng động cơ nam châm vĩnh cửu PMSM sử dụng PID thích nghi và bộ quan sát trượt, để đáp ứng được nhu cầu điều khiển đông cơ PMSM một cách chính xác, rút ngắn thời gian điều khiển, tiết kiệm chi phí, cung cấp một cách tốt hơn trong vấn đề điều khiển liên quan đến yêu cầu kích thước

bộ điều khiển một cách tối ưu

Xây dựng được mô hình mô phỏng bộ điều khiển PMSM trong Matlap Simulink

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu chung

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) đã thu hút được sự quan tâm ngày càng tăng trong những năm gần đây cho các ứng dụng truyền động trong công nghiệp Sự ổn định, hiệu quả cao và điều khiển đơn giản của các động cơ sử dụng nam châm vĩnh cửu so với các động cơ cảm ứng từ, làm cho chúng trở thành một lựa chọn tốt trong các ứng dụng nhất định

Các ưu điểm khác của động cơ nam châm vĩnh cửu là quán tính thấp, hiệu suất cao, độ tin cậy và chi phí thấp của bộ điều khiển điện tử cần thiết để điều khiển động

cơ Tất cả những ưu điểm trên làm cho động cơ nam châm vĩnh cửu trở thành một thiết

bị tốt để được sử dụng trong nhiều ứng dụng

2.2 Nguyên lý cấu tạo PMSM

Một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là động cơ sử dụng nam châm để tạo

từ trường trong không khí thay vì sử dụng nam châm điện

Vật liệu nam châm vĩnh cửu

Các đặc tính của vật liệu nam châm vĩnh cửu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của động cơ Các vật liệu nam châm được sản xuất sớm nhất là thép , nam châm làm từ thép dễ dàng bị từ hóa, tuy nhiên nam châm làm từ thép có năng lượng thấp và

dễ dàng bị khử từ mất đi năng lượng Trong những năm gần đây các vật liệu khác như hợp kim nhôm Niken và Cobalt (ALNICO), Strontium Ferrite hoặc Barium Ferrite, Samarium Cobalt (SmCo) là hợp chất thế hệ đầu tiên chúng có mật độ từ thông cao nhưng chi phí để sản xuất tốn kém, và Neodymium Iron-Boron (NdFeB) là hợp chất thế

hệ thứ 2 đã được phát triển và ứng dụng để tạo thành châm vĩnh cửu

Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu

Động cơ nam châm vĩnh cửu được phân loại thành 2 loại chính đó là động cơ có nam châm gắn trên rotor thay còn gọi là động cơ cực lồi, và động cơ có nam châm gắn trong rotor còn được gọi là động cơ cực ẩn

Động cơ nam châm cực lồi [4] trên bề mặt của rotor sẽ gắn các nam châm vĩnh cửu, mỗi nam châm được gắn coi là một cực, điều này giúp dễ dàng trong thiết kế, đặc biệt dễ dàng từ hóa trên bề mặt giúp giảm thiểu momen xoắn, thiết kế này được sử dụng trong motor có tốc độ thấp, vì khi đạt tốc độ cao các nam châm có thể văng ra ngoài Những động cơ có rotor nam châm cực lồi được coi là có hiệu suất nhỏ, do nam châm đặt trên bề mặt nên từ trường của nam châm truyền trong không khí ít bị ảnh hưởng bởi vật liệu từ tính do bề mặt hở, đối với động cơ nam châm vĩnh cửu cực lồi Ld=Lq

Nguồn: [4] Hình 2.1: Mô hình động cơ rotor cực lồi

Nguồn: [4] Hình 2.2: Trục tọa độ động cơ rotor cực lồi

Động cơ nam châm cực ẩn [4], bên trong mỗi rotor được gia công gắn nam châm vĩnh cửu, loại động cơ có rotor là nam châm gắn trong không được phổ biến như loại nam châm gắn ngoài, nhưng bù lại động cơ nam châm cực ẩn cho hoạt động ởi tốc độ cao, có sự ổn định trong hệ thống với hệ số tự cảm trên trục q lớn hơn hệ số tự cảm trên trục d (Lq>Ld)

Nguồn: [4] Hình 2.3: Mô hình động cơ rotor cực ẩn

(2.1)

(2.2)

(2.3)

Hình 2.4: Tọa độ d, q rotor cực ẩn với Ld < Lq

𝑇𝑀 =3𝑝

2 [𝜃𝑓𝑖𝑞 + (𝐿𝑑− 𝐿𝑞)𝑖𝑑𝑖𝑞]

Mô hình toán học đông cơ nam châm vĩnh cửu

Mô hình toán học của động cơ nam châm vĩnh cửu PMSM xuất phát từ khung tham chiếu đồng bộ có trục tọa độ d và q như sau:

Trong đó : Vd, Vq là điện áp trên 2 trục d và q

a,b,c α,β

a,b,c α,β

d,q α,β

Sin/cos of flux angle

SVPWM

IGBT base inverter

DC power

PMSM

PWM1 PWM2 PWM3 PWM4 PWM5 PWM6

A B C

Sliding mode observer (SMO)

+ -

Vref1 Vref2 Vref3

iq

id

Park

Cl ark

modify Clark-1

θₑ

Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ PMSM sử dụng PID thích nghi và bộ quan

sát trượt Khi id=0 moment xoắn của PMSM sẽ được viết dưới dạng phương trình như sau:

𝑇𝑒 = 3𝑃

4 𝐾𝐸𝑖𝑞 ≜ 𝐾𝑡𝑖𝑞Xem xét tính toán tải của PMSM, phương trình tổng thể của hệ thống truyền động PMSM là:

(2.9)

𝐽𝑚 𝑑

𝑑𝑡𝜔𝑟 + 𝐵𝑚𝜔𝑟 = 𝑇𝑒 − 𝑇𝐿Trong đó : Te là moment xoắn của motor

2.3 Phương pháp điều khiển PID

Khái quát về bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID, gồm có ba thuật toán cơ bản được sử dụng như khâu P, PI, PID các thành phần tỉ lệ (P), khâu tích phân (I), và khâu vi phân (D) Khi sử dụng ta có thề lựa chọn các chế độ làm việc là P, I hay D sau đó đặt tham số cho các chế độ đã chọn

Hình 2.6: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

(2.10)

𝑴𝑽(𝑡) = 𝒖(𝑡) = 𝑷out+ 𝑰out+ 𝑫out

Với khâu tỉ lệ (Pout ) hay còn được gọi là độ lợi tỉ lệ, đáp ứng tỉ lệ có được bằng cách nhân với một hằng số Kp làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại

Pout=Kpe(t) Với Pout: thừa số tỉ lệ đầu ra

Kp: độ lợi tỉ lệ

e(t): sai số theo thời gian tức thời

Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ, độ lợi khâu tỉ lệ quá cao hệ thống sẽ không ổn định, ngược lại độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu

ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn là làm cho bộ điều khiển đáp ứng chậm Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

Nếu không có nhiễu, khâu tỉ lệ thuần túy sẽ ko xác lập tại giá trị mong muốn của

nó, nhưng vẫn duy trì một giá trị trượt sai số ổn định trạng thái, là một hàm của độ lợi

Khâu độ lợi tỉ lệ giá trị đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ lớn, một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động

Khâu tích phân (Iout) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn thời gian xảy ra sai số, tổng sai số tích thời theo thời gian cho ta tích lũy bù 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.

e(t): sai số theo thời gian tức thời

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, có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt

Khâu độ lợi tích phân giá trị càng lớn, sai số ổn định bị khử nhanh, nhưng đổi lại

là độ vọt lố càng lớn, bất kì 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

Khâu vi phân (Dout) tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian bằng cách đạo hàm bậc một theo thời gian và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ Kd Biên độ của khâu vi phân được giới hạn bởi độ lợi vi phân

Với Dout:thừa số vi phân đầu ra

Kd: độ lợi vi phân

e(t): sai số thời gian tức thời

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển 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 sẽ khuếch đại cả tín hiệu nhiễu do đó sẽ nhạy đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở lên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân

đủ lớn

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

Khái niệm điều khiển thích nghi

Thích nghi là quá trình thay đổi thông số và cấu trúc tác động điều khiển trên cơ

sở lượng thông tin có được trong quá trình làm việc với mục đích đạt được một trạng thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếu lượng thông tin ban đầu cũng như khi điều kiện làm việc thay đổi

Điều khiển thích nghi [5] là tổng hợp các kĩ thuật nhằm tự động chỉ định các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay duy trì ở một mức độ nhất định chất lượng của hệ khi thông số của quá trình điều khiển không biết trước hay thay đổi theo thời gian

Điều khiển thích nghi là phương pháp điều khiển được sử dụng bởi một bộ điều khiển thích ứng với một hệ thống điều khiển với các thông số thay đổi, hoặc có điều kiện đầu vào không chính xác, điều khiển thích nghi khác với điều khiển bền vững ở chố không cần một thông tin về các giới hạn trên các thông số không chính xác hoặc biến đổi, với điều khiển bền vững đảm bảo rằng nếu những thay đổi nằm trong giới hạn cho trước, sẽ không cần thay đổi luật điều khiển, trong khi điều khiển thích nghi lại liên quan đến việc thay đổi luật điều khiển

adaptation

Feedback

Nguồn: [5] Hình 2.7: Mô tả vòng điều khiển thích nghi

Hệ thống được mô tả như hình trên gồm 2 vòng

Vòng hồi tiếp thông thường

Vòng hồi tiếp điều khiển thích nghi

Phân loại các hệ thống thích nghi gồm những loại sau

Hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu MRAS (Model Reference Adaptive System)

Bộ STR (Self Tuning Regulator)

Hệ thích nghi tự học

Hệ thích nghi tự tổ chức

2.4 Khái niệm điều khiển mờ (Fuzzy)

Giới thiệu

Trong các năm trở lại ứng dụng trí tuệ nhân tạo đã được nguyên cứu, phát triển

và được đưa vào sửa dụng để chuyển đổi suy nghĩ của con người thành một dạng dễ hiểu, được thực hiện bởi máy tính, kiểm soát nâng cao dựa trên các kĩ thuật trí tuệ nhân tạo được gọi là điều khiển thông minh Hệ thống thông minh thường được mô tả bằng

sự tương tác với hệ thống bằng cách xem xét cách con người thực hiện các nhiệm vụ kiểm tra, nhận biết các mẫu và đưa ra các quyết định Giữa con người và máy móc có những sự khác biệt, như con người khi đưa ra những quyết định thường có yếu tố không chắc chắn, không chính xác, trong khi máy móc chạy trên trương trình đã được đưa ra,

đã được cài đặt dựa trên nguyên lý nhị phân Nguyên lý mờ (Fuzzy logic) là một cách

để làm cho máy móc thông minh hơn cho phép chúng lý luận và suy nghĩ như con người Fuzzy logic được đề xuất bởi Lotfy Zadeh năm 1965, phương pháp điều khiển

mờ nổi lên như một công cụ để giải quyết các vấn đề quyết định không chính xác, hoặc định tính Các bộ điều khiển kết hợp các kỹ thuật thông minh và thông thường, thường

được sử dụng trong việc điều khiển thông minh các hệ thống hoạt động phức tạp

Điều khiển mờ cung cấp một phương thức để đại diện điều khiển và thực hiện các sự thay đổi liên tục trong hệ thống theo đúng điều chỉnh cài đặt của con người và

cách kiểm soát hệ thống một cách tốt nhất

Làm mờ Cơ chế suy luận Giải mờ

Quy luật mờ

Hàm quy trình Giá trị

đầu vào

Fuzzy controller

Đầu ra

Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ hồi tiếp

Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ là một hệ thống điều khiển vòng hồi tiếp , kết quả đầu ra được hiển thị bằng y(t), đầu vào được hiển thị bằng u(t) và tham chiếu tới bộ điều khiển mờ được hiện thị bằng r(t)

Bộ điều khiển mờ gồm có bốn thành phần chính: “Rule-base” bảng luật mờ dưới hình thức một bộ quy tắc để kiểm soát hệ thống, “Inference mechanism” cơ chế suy luật đánh giá các quy tắc kiểm soát nào có liên quan thời gian hiện tại và sau đó quyết định đầu vào cho thiết bị điều khiển, “Fuzzification” sự mờ đơn giản sửa đổi các đầu vào để

so sánh với các quy tắc trong bảng luật mờ “Defuzzification” mờ chuyển đổi đạt được bằng cơ chế suy luật đầu vào cho thiết bị

Về cơ bản, bộ điều khiển mờ là bộ điều khiển vòng kín trong thời gian thực, thu thập dữ liệu đầu ra của thiết bị được điều khiển so sánh với dữ liệu tham chiếu, và quyết định đầu vào của thiết bị được điều khiển nhằm đảm bảo được sự hoạt động và yêu cầu đặt ra

Phương pháp thiết kết bộ điều khiển mờ cơ bản

Để thiết kế bộ điều khiển mờ cơ bản [6] [7], người điều khiển phải thu thập thông tin về thiết bị được điều khiển nhằm tạo lên một hệ thống vòng kín, và viết ra một bộ quy tắc về cách điều khiển hệ thống mà không cần sự tác động từ bên ngoài

Phương pháp điều khiển truyền thống đòi hỏi có mô hình hóa thực tế, có ba phương pháp có thể sử dụng trong mô tả của một hệ thống

Phương pháp thực nghiệm: bằng cách thử nghiệm và xác định quá trình phản

ứng với các tín hiệu đầu vào khác nhau, ta có thể mô tả một bảng tín hiệu đầu vào ra,

bằng cách xác định các điểm giao nhau giữa trục tung và trục hoành, từ các điểm đó ta

vẽ ra được đường tín hiệu kết quả Bằng cách hiểu phản ứng đầu vào ra như vậy, ta có thể thiết kế một bộ điều khiển, phương pháp này có nhược điểm là thiết bị xử lý không

có sẳn để thử nghiệm, quy trình thường rất tốn kém, và đối với một số lượng lớn giá trị đầu vào, việc đo tín hiệu các đầu ra là không thực tế Người ta cũng cần phải xác định phạm vi dự kiến của đầu vào và đầu ra để đảm bảo rằng chúng nằm trong phạm vi của các dụng cụ đo có sẵn

Phương pháp điều khiển bằng mô hình toán học: kỹ thuật điều khiển đòi hỏi

một mô hình toán học lý tưởng của quá trình được kiểm soát, thường ở dạng phương trình vi phân hoặc phương trình cân bằng Biến đổi Laplace và biến đổi Z được sử dụng tương ứng Để làm cho các mô hình toán học đủ đơn giản, một số phương pháp được thực hiện một trong đó là quá trình tuyến tính, tức là đầu ra tỉ lệ thuận với đầu vào Kỹ thuật tuyến tính có giá trị với các chi tiết chính xác Bên cạnh đó không có phương pháp phân tích của phương trình vi phân phi tuyến và do đó không có công cụ phân tích toàn diện cho hệ thống hoạt động phi tuyến, giả thiết khác là các tham số quá trình không thay đổi theo thời gian Làm phát sinh ra các vấn đề như: giá trị chính xác của các tham

số khác nhau, tăng độ phức tạp của mô hình, nhận biết giá trị không chính xác

Phương pháp Heuristics: bao gồm các mô hình và sự nhận biết trong những

vòng lập lại của hệ thống với những giá trị phù hợp, bộ phương pháp viết dựa trên nguyên tắc “nếu” đầu ra của thiết bị điều khiển và đầu vào tham chiếu hoạt động theo một cách nào đó, “thì” đầu vào của thiết bị được điều khiển theo một giá trị nào đó

If <condition> Then < consequence>

Hoặc trong một số tình huống kiển soát điểm hình

If <condition> Then < action>

Quy luật dựa vào kết quả với điều kiện do đó phương pháp Heuristis tương tự như phương pháp thực nghiệm trên việc tạo thành bảng các giá trị đầu vào, đầu ra tương ứng Ưu điểm của phương pháp không bắt buộc về giả thuyết độ tuyến tính, ngoài ra phương pháp này có thể được kết hợp với các phương pháp điều khiển khác

Nguyên lý thiết kế điều khiển mờ

Sự phát triển của lý thuyết hệ thống điều khiển trải qua nhiều quá trình, bắt đầu

từ một số phân tích miền đơn giản, cho hệ thống điều khiển tuyến tính một đầu vào và một đầu ra (single-input single-output: SISO) được khái quát hóa thành lý thuyết nhiều đầu vào phức tạp, sử dụng hệ thống toán học, hệ thống tuyến tính hoặc phi tuyến (multi-input multi-out:MIMO) được mô tả bằng các phương trình vi phân, tích phân và các phương trình khác

Lý thuyết điều khiển vẫn đang ngày càng phát triển nhanh chóng sử dụng các phương trình toán học nâng cao, hình học vi phân, lý thuyết vận hành, phân tích đa chức năng và kết nối nhiều lý thuyết và ứng dụng như trí thông minh nhân tạo, và các loại kỹ thuật khác nhau Lý thuyết điều khiển bây giờ tương đối hoàn chỉnh cho các hệ thống điều khiển tuyến tính và đi đầu trong công nghệ hiện đại, trong các ứng dụng công nghiệp nơi điều khiển và tự động hóa là nền tảng

Xét cấu trúc điểm hình bộ điều khiển mờ

Hình 2.10: Cấu trúc chung bộ điều khiển mờ

Xét khối Fuzzification : biến đổi các giá trị vật lí ( vị trí, điện áp, độ,v.v ) của tín hiệu quá trình, tín hiệu hiển thị e(t) như trong hình cho bộ điều khiển logic mờ, chuẩn hóa thành một tập hợp phạm vi các giá trị đầu vào

Ví dụ tín hiệu đầu vào là tính hiệu nhiệt độ được đưa tới bộ điều khiển logic mờ, giả sử tín hiệu lỗi nằm trong phạm vi từ -25 tối 45 độ, trong ứng dụng trong đó bộ điều khiển logic mờ cần được thiết kế giảm mỗi sai số từ 0 đến cộng trừ 0.01 độ vì tỉ lệ 1 độ

là quá lớn, việc đo hiệu quả điều khiển trong phạm vi cộng trừ 0.01 độ

Hình 2.11: Ví dụ tính hiệu đầu vào e(t)

Trong khối fuzzification, đầu vào là một tí hiệu vật lý rõ nét (ví dụ :nhiệt độ) của quy trình đầu vào và đầu ra là một tập mờ bao gồm thời gian và các hàm thành viên (membership function) Đầu ra của khối này sẽ là đầu vào cho khối điều khiển cơ sở quy tắc IF-THEN Với yêu cầu các tập mờ tương thích với các quy tắc logic mờ

Khối quy tắc logic mờ (Rule-Base): thiết kế một cơ sở quy tắc tốt sẽ có được một

bộ điều khiển tốt đáp ứng được ứng dụng cụ thể Phân tích và kiểm soát các tín hiệu được kết hợp trong việc thiết lập một cơ sở quy tắc logic mờ hoàn chỉnh bao gồm: Xác định trạng thái quy trình và các biến điều khiển

Xác định biến đầu vào cho bộ điều khiển

Thiết lập một cơ sở quy tắc logic mờ IF- THEN

Thiết lập phương pháp suy luận logic mờ

Khối Defuzzification có ý nghĩa ngược lại khối mờ, nó chuyển đổi tất cả các tín hiệu mờ được tạo ra bởi khối cơ sở quy tắc mời của bộ điều khiển thành các tín hiệu giá trị số (giá trị tín hiệu đầu ra) bằng cách kết hợp tất cả các kết quả điều khiển có thể có

từ cơ sở quy tắc và một công thức trung bình và đưa kết quả tín hiệu đến quá trình thực hiện để kiểm soát hệ thống

Một bộ điều khiển Fuzzy logic khi thiết kế không yêu cầu là hệ thống tuyến tính hay đó là hệ thống phi tuyến, miễn là đầu ra của hệ thống có thể đo được và được sử dụng để điều khiển Nói cách khác khi thiết kế một bộ điều khiển Fuzzy logic là hoàn toàn độc lập với mô hình toán học của hệ thống điều khiển, lợi thế hơn so với thiết kế

một bộ điều khiển thông thường (trong những hệ thống mô hình phức tạp hơn) để có một bộ điều khiển đạt được hoặc tốt hơn cùng một mục đích thiết lập theo dõi hiệu suất

2.5 Điều chế vector không gian

Kỹ thuật điều chế vector thông gian là phương pháp điều chế liên tục phức tạp được sử dụng, động lập với các loại điều hiển được thực hiện trên động cơ, để tạo ra một vector không gian mong muốn ởi biến tần điều khiển động cơ, trong trường hợp bài là mô hình PMSM, phương pháp sử dụng một sơ đồ đặc biệt để chuyển đổi các linh kiện điện tử đóng cắt tần số cao tạo ra các dòng điện giả hình sin trong cuộn dây stator Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm

Hiệu suất cao hơn để điều khiển các động cơ vừa và lớn hơn

Mang lại hiệu quả điều khiển cao hơn 86%

Cải thiện hiệu quả điều khiển moment xoăn

Hiệu suất khởi động tốt hơn

Không thay đổi moment xoắn , gợn sóng ít hơn

Cải thiện phản ứng động

Biến tần 3 pha

Bộ biến đổi điện áp chuyển đổi điện áp DC thành điện áp AC có tần số và cường

độ biến thiên, chúng thường được sử dụng trong các bộ điểu chỉnh tốc độ và được đặc trưng bởi một dạng song điện áp chuyển mạch Điện áp và tần số có thể thay đổi hoặc không đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng Hình dưới mô tả một bộ biến đổi điện áp

Hình 2.12: Bộ biến đổi điện áp kết nối với động cơ

Một bộ biến tần ba pha [8] gồm một nguồn điện áp DC kết nối với sáu khóa chuyển đổi các khóa chuyển đổi là các linh kiện bán dẫn điện áp và tần số cao, các khóa bán dẫn phải được lựa chọn cẩn thận dựa trên từng yêu cầu vận hành Một linh kiện bán dẫn như MOSFET, IGBT, GTO,… trong đó MOSFET và IGBT được ưu thích vì có công suất lớn và lợi thế điều khiển Trong khi MOSFET được coi là một thiết bị cho các ứng dụng điện áp thấp, IGBT đã được ứng dụng rộng trong các biết bị điều khiển động cơ, và các ứng dụng khác trong phạm vi có công suất thấp và trung bình, bảng dưới đây thể hiện công suất và tốc độ đóng cắt của linh kiện

Bảng 2.1: Công suất và thời gian chuyển mạch linh kiện bán dẫn

Phương pháp điều khiển PWM

PWM là một phương pháp điều chế [9] [10] dựa trên độ rộng xung theo thời gian, xung này thay đổi cùng với loại tín hiệu điều chế Một mặt phương pháp PWM có thể được sử dụng đề truyền tín hiệu hoặc truyền thông tin, mặt khác nó có thể cung cấp năng lượng cho bộ điều khiển cho các thiết bị điện đặc biệt cho động cơ So với các phương pháp có sẵn khác, kỹ thuật điều khiển PWM có những ưu điểm, độ phức tạp ít hơn trong việc thực hiện và kiểm soát, không có độ lệch nhiệt độ, không thay đổi công suất theo thời gian Một số cách để thiết kế để có được một xung hoặc một tín hiệu điều khiển cho bộ điều khiển biến tần với sự giúp đỡ của kỹ thuật điều chế Trapezoidal, Sinusoidal, Harmonic Injenction, SVPWM và Radom PWM Mỗi phương pháp điều

chế độ rộng xung không gian với các ưu điểm như tổn hao chuyển mạch thấp, sóng hài

ít trong điện áp và dòng điện

Phương pháp điều chế độ rộng xung

Kỹ thuật điều chế động rộng xung của SPWM [11] [12] [13] là một trong những

kỹ thuật PWM phổ biển nhất do lợi ích của phương pháp này làm giảm sóng hài của biến tần Tạo ra 3 dạng sóng hình sin lệch pha nhau 120 độ so với tín hiệu tham chiếu biến tần

Trong phương pháp điều chế này, tín hiệu điều chế là một dạng sóng hình sin và sóng mang là sóng tam giác, để so sánh điện áp tham chiếu hình sin ba pha Ua,ref, Ub,ref,

Uc,ref , được thiết lập bộ điều khiển hiện tại so với sóng mang để tạo ra tín hiệu logic Sa,

Sb, Sc với mỗi tín hiệu xung điện dùng để kích hoạt các linh kiện bán dẫn tương ứng với 0 và 1

Nguồn: [12] Hình 2.13: Mô hình SPWM

Kỹ thuật tạo tín hiệu SPWM thông thường ba pha cho bộ chuyển đổi

𝑆𝑎 = {0 𝑈𝑎,𝑟𝑒𝑓 ≥ 𝑠ó𝑛𝑔 𝑡𝑎𝑚 𝑔𝑖á𝑐

1 𝑈𝑎,𝑟𝑒𝑓 < 𝑠ó𝑛𝑔 𝑡𝑎𝑚 𝑔𝑖á𝑐

𝑆𝑏 = {0 𝑈𝑏,𝑟𝑒𝑓 ≥ 𝑠ó𝑛𝑔 𝑡𝑎𝑚 𝑔𝑖á𝑐

1 𝑈𝑏,𝑟𝑒𝑓 < 𝑠ó𝑛𝑔 𝑡𝑎𝑚 𝑔𝑖á𝑐

2.6 Bộ quan sát chế độ trượt (Sliding Mode Controller :SMO)

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hiệu năng cao, PMSM có mật độ công suất cao, hệ số công suất cao và hiệu suất ca , trong điều khiển hiệu suất cao của PMSM, thông tin về vị trí và tốc độ rotor rất quan trọng, trong vòng điều khiển tốc độ, tốc độ thực tế là cần thiết, Đối với điều khiển từ thông, phép biến đổi tọa độ cần vị trí rotor chính xác Vị trí và tốc độ của rotor

có thể đo được bằng bộ mã hóa trục, hoặc các loại cảm biến khác

Tuy nhiên, đối với các loại thiết bị mã hóa trục và sự hiện diện của cảm biến như vậy là điều không mong muốn vì chi phí cao, cần được bảo trì thường xuyên, và độ tin cậy… Khái niện điều khiển không cảm biến [14] được đề xuất trong những năm 1970

và được phát triển liên tục để tính toán vị trí rotor và ước lượng tốc độ của PMSM Nguyên tắc cơ bản của điều khiển không cảm biến là suy ra tốc độ và vị trí của rotor