Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Điều khiển thích nghi hệ truyền động động cơ không đồng bộ sáu pha

Chia sẻ: Gaocaolon6 Gaocaolon6 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:171

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án gồm 5 chương với các nội dung: mô hình toán của SPIM và các kỹ thuật điều khiển vector không gian hệ truyền động không cảm biến SPIM; kỹ thuật giảm điện áp common mode cho biến tần nguồn áp sáu pha; thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ truyền động SPIM; thiết kế bộ quan sát tốc độ thích nghi cho hệ truyền động SPIM không cảm biến tốc độ; ứng dụng kết quả nghiên cứu trong hệ truyền động của xe điện.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Điều khiển thích nghi hệ truyền động động cơ không đồng bộ sáu pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH PHẠM THÚY NGỌC ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SÁU PHA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH- 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH PHẠM THÚY NGỌC ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SÁU PHA Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá Mã số: 9520216 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN HỮU KHƯƠNG TS. TRẦN THANH VŨ TP. HỒ CHÍ MINH- 2019
I LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài: “Điều khiển thích nghi hệ truyền động động cơ không đồng bộ sáu pha” là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2019 Nghiên cứu sinh Phạm Thúy Ngọc
II LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những người Thầy của tôi: PGS.TS Nguyễn Hữu Khương, TS. Trần Thanh Vũ – Cùng những Thầy trong Hội Đồng Khoa Học Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh vì sự tận tâm đã dành thời gian hướng dẫn và cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu giúp tôi hoàn thành tốt luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện đào tạo sau đại học, Khoa Điện_ĐTVT, cùng các phòng ban chức năng đã tạo điện kiện hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Tôi xin cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, lãnh đạo và các đồng nghiệp của tôi tại Khoa Công Nghệ Điện Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, các nhà khoa học, các chuyên gia đã cho tôi những ý kiến đóng góp giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn tới Bố, Mẹ của tôi, những người đã luôn hy sinh thầm lặng và luôn dành tình yêu thương cho tôi, tới gia đình nhỏ, chồng và hai con gái thân yêu của tôi, những người luôn tin tưởng, động viên tôi giúp tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời tri ân tới một người bạn lớn, một người Thầy, người đã luôn đồng hành, chia sẻ những khó khăn cùng tôi, người mà thái độ làm việc, nghiên cứu khoa học nghiêm túc và đạo đức sống mẫu mực là tấm gương để tôi phấn đấu noi theo, là động lực để tôi hướng tới cuộc sống tốt đẹp, cống hiến cho nghiên cứu khoa học và các hoạt động có ích cho cộng đồng. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2019 Nghiên cứu sinh Phạm Thúy Ngọc
III TÓM TẮT Trong những thập kỷ gần đây, việc nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển, nhận dạng trong các hệ truyền động không cảm biến tốc độ nhiều pha nói chung và động cơ không đồng bộ sáu pha không đối xứng (SPIM) nói riêng nhận được sự quan tâm rất lớn từ các nhà nghiên cứu. Các nghiên cứu hệ truyền động SPIM cho thấy, bên cạnh những ưu điểm vượt trội so với các hệ truyền động không đồng bộ ba pha, hệ truyền động SPIM cũng phải đối mặt với những vấn đề điều khiển như trong các hệ truyền động ba pha truyền thống do tính chất phi tuyến của SPIM, thông số không chắc chắn, nhiễu tải,… Thậm chí các vấn đề về điều khiển của hệ truyền động SPIM còn phức tạp hơn do có sự gia tăng về số pha. Trong luận án này, tác giả đề xuất một cấu trúc điều khiển phi tuyến kết hợp giữa điều khiển Backstepping và điều khiển cổng Hamiltonian (BS_PCH) nhằm cải tiến chất lượng của điều khiển vector (IFOC) hệ truyền động SPIM. Bộ điều khiển tốc độ vòng ngoài của hệ truyền động SPIM được đề xuất sử dụng BS cải tiến bổ sung thêm thành phần tích phân sai số theo dõi để tăng độ chính xác và cải thiện tính bền vững của bộ điều khiển. Bộ điều khiển PCH được đề xuất cho điều khiển dòng vòng trong để tăng khả năng bám đuổi theo tham chiếu, tốc độ đáp ứng và đảm bảo tính ổn định, bền vững trước thay đổi của tham số máy điện, nhiễu tải,… Trên thực tế, như chúng ta đã biết, các bộ điều khiển không thể đảm bảo chất lượng điều khiển tốt cho điều khiển không cảm biến tốc độ hệ truyền động SPIM nếu không sử dụng các bộ quan sát trạng thái phù hợp và chính xác. Đã có rất nhiều sự chú ý từ các nhà nghiên cứu để cải thiện chất lượng của các bộ quan sát, nâng cao chất lượng của các hệ truyền động SPIM không cảm biến tốc độ. Trong số các kỹ thuật được đề xuất, MRAS là chiến lược phổ biến nhất do việc thực hiện đơn giản và đòi hỏi nỗ lực tính toán thấp. Các bộ quan sát dựa trên MRAS được áp dụng thành công ở khu vực tốc độ trung bình và cao, tuy nhiên, hoạt động ở dải tốc độ thấp và tốc độ bằng không vẫn là một thách thức lớn. Vấn đề này liên quan đến độ nhạy thông số máy điện, sai số và nhiễu đo lường khi đo dòng và điện áp stator, các vấn đề tích phân thuần túy ,.... Do đó, luận án đưa ra đề xuất thứ hai để cải thiện chất lượng của bộ quan sát tốc độ, bộ nhận dạng từ rotor, đặc biệt là ở vùng tốc độ thấp và tốc độ gần bằng không. Trong bộ quan sát tốc độ thích nghi dựa trên mô hình tham chiếu dòng
IV stator cải tiến sử dụng mạng nơ ron và mô hình trượt (NNSM_SC MRAS) được đề xuất: Thứ nhất, tác giả đề xuất một bộ quan sát tốc độ dựa trên mô hình tham chiếu dòng stator (SC_MRAS), trong MRAS dòng này các thành phần dòng điện stator đo được sử dụng trực tiếp làm mô hình tham chiếu để tránh các vấn đề tích phân thuần túy và ảnh hưởng của thay đổi tham số động cơ. Mô hình thích nghi của bộ quan sát được đề xuất sử dụng mạng nơ ron tuyến tính Adaline với thuật toán LS để ước tính tốc độ rotor. Giải thuật LS đơn giản và hoàn toàn phù hợp với bài toàn ước lượng tốc độ khi hàm ước lượng trên thực tế có thể được xem như là một hàm tuyến tính. Đề xuất này nhằm giảm nỗ lực tính toán và khắc phục một số nhược điểm gây ra do tính phi tuyến khi sử dụng giải thuật phi tuyến BPN trong các nghiên cứu đã đề xuất trước đó. Thứ hai, bộ quan sát dòng đề xuất làm việc trong chế độ dự báo thay vì chế độ mô phỏng như trong các nghiên cứu đã được công bố, dẫn đến sự hội tụ nhanh hơn của thuật toán, sai số ước lượng tốc độ thấp hơn trong cả trạng thái quá độ và xác lập. Thứ ba, bộ nhận dạng từ thông rotor để cung cấp cho mô hình thích nghi dòng và bộ điều khiển được đề xuất sử dụng SM. Bộ nhận dạng từ thông được thiết kế dựa trên các điều kiện ổn định Lyapunov. Điện trở stator cũng được ước lượng và cập nhật online cho bộ ước lượng dòng stator và bộ điều khiển BS_PCH để giảm ảnh hưởng của thay đổi thông số máy (RS) đến quá trình ước lượng và điều khiển tốc độ. Các giải pháp này cải thiện độ chính xác và ổn định của bộ nhận dạng từ thông rotor, và do đó cải thiện độ chính xác của tốc độ ước tính, chất lượng điều khiển của hệ truyền động, đặc biệc ở tần số làm việc thấp. Cuối cùng, tác giả đề xuất sử dụng Euler điều chỉnh tăng thêm 2 biến trạng thái đầu vào để tăng độ chính xác cho bộ quan sát dòng trong mô hình thích nghi của bộ quan sát. Mặt khác, trong các hệ truyền động sử dụng SPIM, việc sử dụng biến tần nguồn áp sáu pha là một lựa chọn tất yếu vì nguồn sáu pha không có sẵn. Các phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) cho biến tần nguồn áp sáu pha gây ra xung điện áp common mode cao. Mục tiêu của điều khiển điện áp bộ biến tần là triệt tiêu ảnh hưởng bất lợi gây ra bởi điện áp common mode, tức giảm điện áp common mode ở mức thấp nhất có thể hoặc triệt tiêu chúng bằng zero. Vì vậy, để nâng cao hơn nữa chất lượng của hệ truyền động SPIM, luận án đề xuất một kỹ thuật điều rộng xung sóng mang mới làm giảm điện áp common mode (Reduced Common mode Voltage -RCMV) áp dụng cho hệ truyền động SPIM. Kỹ thuật sóng mang mới được đề xuất
V đơn giản và đòi hỏi khối lượng tính toán ít, có thể dễ dàng phát triển trong các trường hợp mở rộng kỹ thuật PWM cho các bộ biến tần đa bậc hoặc biến tần nhiều pha. Phương pháp này có hiệu quả kinh tế cao, điện áp common mode được giảm và kiểm soát thành công trong phạm vi ±Vd/6. Việc kết hợp thành công giữa bộ quan sát NNSM_SC_MRAS và cấu trúc điều khiển phi tuyến BS_PCH, giải thuật giảm điện áp common mode cho điều khiển vector không sử dụng cảm biến tốc độ hệ truyền động SPIM đã góp phần nâng cao chất lượng điều khiển tổng thể của hệ thống, làm gia tăng khả năng bám đuổi theo tín hiệu đặt, độ ổn định, bù đắp cho sự không chắc chắn gây ra bởi độ nhạy tham số của SPIM, lỗi đo lường và nhiễu tải. Ứng dụng hệ truyền động đề xuất kết hợp điều khiển BS_PCH, bộ quan sát tốc độ NNSM_SC _MRAS và giải thuật giảm điện áp common mode cho hệ thống đẩy trong xe điện cũng được thực hiện và được tác giả trình bày trong luận án. Các kết quả thu được cho thấy hệ thống truyền động được đề xuất đáp ứng rất tốt những yêu cầu của hệ thống đẩy trong xe điện. Kết quả này cho phép thúc đẩy các nghiên cứu ứng dụng thực tế hệ truyền động SPIM cho phương tiện và thiết bị ngành giao thông vận tải cũng như các lĩnh vực công nghiệp, v..v… Bên cạnh việc trình bày, dẫn giải về lý thuyết, các mô phỏng sử dụng MATLAB/ Simulink cũng được thực hiện. Các kết quả mô phỏng chiến lược đề xuất được so sánh với các phương pháp truyền thống và các phương pháp hiện đại được công bố gần đây để chứng minh tính hiệu quả của các giải pháp được đề xuất. Từ khóa: Hệ truyền động động cơ không đồng bộ sáu pha, điều khiển thích nghi, MRAS, bộ quan sát tốc độ MRAS dòng stator, bộ nhận dạng từ thông sử dụng SM, điều khiển phi tuyến BS_PCH.
VI Abstract In recent decades, the improvement of the control and identification system in the six phase induction motor (SPIM) drives have received great attention from the researchers. SPIM drive studies show that, besides, the outstanding advantages compared to three phase induction motor drive, SPIM drives also face the control problems as in the traditional three phase induction motor drives due to the nonlinearity of SPIM, uncertain parameters, load noise, etc... Even the problems of the control of SPIM drives are more complicated due to the increase in number of phases of SPIM. In this thesis, the author proposes a new nonlinear control structure that combines the Backstepping control and the Port Controlled Hamiltonian (BS_PCH) to improve the performance of the vector control system (IFOC) in the SPIM drives. The outer speed and flux loop controllers design is based on the BS technique using the integral tracking errors action to increase the accuracy and improve its robustness. To enhance more the performance of SPIM drives, the PCH scheme is proposed for inner current control loop to improve performance and ensure the stability, accuracy speed response for the drive system, enhance the robustness for the sensitivity of changes in machine parameters, load disturbance,… In fact, as we knew that the control techniques for the sensorless control for SPIM drives can not guarantee good performances without the use of accurate and suitable state observer. There has been a lot of attention from researchers to improve the performance of the observers. Among the proposed techniques, MRAS are the most common strategy due to their low computational effort and simplicity. However, these MRAS based on observers have been successfully applied in medium and high speed region, but low and zero speed operation is still a large challenge. This is related to the machine parameter sensitivity (specially stator resistance), flux pure integration problems, stator voltage and current acquisition problems and inverter nonlinearity,... Therefore, the thesis give the second proposal to improving the quality of the speed observer, rotor flux identifier, especially at low and near zero speed region. In the novel version of the stator current model reference adaptive system based on speed observer using neural networks and sliding mode (NNSM_SC_MRAS) for sensorless
VII vector control of the SPIM drives is proposed: First, in order to avoid the effect of a pure integrator and influence of motor parameter variations, the measured stator current components are used as the reference model. The adaptive model of the proposed observer uses a two layer linear neural network, which is trained online by a linear LS algorithm, this LS algorithm is simple and perfectly suitable for the speed estimation when the speed estimation function is considered to be a linear function. This proposal is intended to reduce computational effort and overcome some of the disadvantages caused by nonlinearity when using the BPN nonlinear algorithm in the previously proposed studies. This significantly improves the performance of the proposed observer. Second, the adaptive model is implemented in the prediction mode. This improvement ensures the proposed observer operate better accuracy and stability. Third, a rotor flux identifier, which is needed for the stator current estimation of the adaptive model and controllers, is proposed based on SM. The gains are designed based on stability conditions of Lyapunov theory. In addition, Rs stator resistance value of SPIM is also estimated and update online to stator current estimator and BS_PCH controller. These solutions improve the rotor flux estimation accuracy, and consequently, the speed estimation accuracy at very low stator frequency operation. Finally, the modified Euler integration has been used in the adaptive model to solve the instability problems due to the discretization of the rotor equations of the machine enhance the performance of observer. On the other hand, in the SPIM drives, the use of a six phase voltage voltage source inverter (SPVSI) is an inevitable option because a six phase source is not available. The pulse width modulation (PWM) methods for SPVSI cause high common mode voltage, so to improve the quality of the drives, the goal of the voltage control is to eliminate the adverse effects caused by common mode voltage, which means reducing common mode voltage to the lowest possible level or eliminating them by zero. Therefore, the thesis proposes a novel carrier pulse modulation technique to reduce common mode voltage for the six phase voltage source inverter of the SPIM drive, This new proposed technique is simple, efficient, requires little computational volume, and easy to apply when expanding PWM techniques for power conversion systems such as multi-level inverter or multi-phase inverter. This
VIII method is highly economical, common mode voltage is reduced and successfully controlled in the range Vd/6. The successful combination of NNSM_SC_MRAS adaptive speed observer, BS_PCH nonlinear control structure and common mode voltage reduction algorithm has contributed to improving control quality for sensorless vector control of SPIM drive, increases stability, compensates for the uncertainty caused by SPIM parameter variations, measurement errors and external load disturbance. The application of the proposed SPIM drive for electric propulsion system of electrical vehicle (EV) has been also carried out and presented in the thesis. The results show that the proposed SPIM drive met very well the requirements of the electric propulsion system of EV. This result enables the promotion of practical applications of the proposed SPIM drive for equipment in the field of transportation, as well as in industrial applications,... Besides, the presentation and interpretation of the theory, the simulations using MATLAB / Simulink were also carried out. The proposed strategy simulation results are compared with the traditional methods and the recently published modern methods to prove the effectiveness of the proposed solutions. Key words: Six phase induction motor drive, adaptive control, Stator current MRAS based on speed observer, Rotor flux identifier using sliding mode, BS_PCH nonlinear control.
IX MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ II TÓM TẮT ................................................................................................................. III Abstract .....................................................................................................................VI MỤC LỤC .................................................................................................................IX DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... XIII DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT .................................................................XVI DANH MỤC NHỮNG KÝ HIỆU .........................................................................XIX MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Giới thiệu tổng quan ...........................................................................................1 2. Sự phát triển của các hệ truyền động không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ sáu pha bất đối xứng và những vấn đề còn tồn tại ...................................6 3. Mục tiêu luận án .................................................................................................9 4. Phạm vi nghiên cứu của luận án .........................................................................9 5. Cấu trúc của luận án ........................................................................................10 CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH TOÁN CỦA SPIM VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR KHÔNG GIAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG CẢM BIẾN SPIM ......................................................................................................................... 10 1.1 Giới thiệu tổng quan .......................................................................................10 1.2 Mô hình toán của SPIM và hệ truyền động SPIM ..........................................13 1.2.1 Mô hình toán của SPIM...........................................................................14 1.2.2 Mô hình toán của hệ truyền động SPIM..................................................16 1.3 Các kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ sáu pha bất đối xứng .........18 1.3.1 Giới thiệu .................................................................................................18 1.3.2 Các kỹ thuật điều khiển vector cho hệ truyền động SPIM ......................19 1.3.2.1 Điều khiển tựa theo từ thông rotor ...................................................20 1.3.2.2 Điều khiển trực tiếp mômen (DTC) .................................................21 1.3.3 Vấn đề tồn tại trong điều khiển vector của hệ truyền động SPIM truyền thống và hướng nghiên cứu ..............................................................................22 1.3.3.1 Điều khiển Backstepping .................................................................23 1.3.3.2 Điều khiển Hamiltonia .....................................................................24
X 1.4 Các kỹ thuật ước lượng tốc độ cho điều khiển vector không cảm biến tốc độ hệ truyền động SPIM ............................................................................................24 1.4.1 Giới thiệu .................................................................................................24 1.4.2 Chiến lược không cảm biến dựa trên phân tích phổ ................................25 1.4.3 Chiến lược không cảm biến dựa trên mô hình ........................................25 1.4.4 Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong các hệ thống truyền động điện .............27 1.4.5 Những vấn đề tồn tại của kỹ thuật ước lượng dựa vào MRAS ...............27 1.4.5.1 Độ nhạy của thông số .......................................................................27 1.4.5.2 Vấn đề tích phân thuần túy ..............................................................28 1.4.5.3 Vấn đề điện áp stator và tính chất phi tuyến của biến tần ...............28 1.5 Kết luận ...........................................................................................................29 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON MODE CHO BIẾN TẦN NGUỒN ÁP SÁU PHA.................................................................................. 30 2.1 Giới thiệu tổng quan .......................................................................................30 2.2 Kỹ thuật điều chế giảm điện áp common mode cho SPVSI...........................31 2.2.1 Nguyên lý điều khiển PWM giảm CMV biến tần nguồn áp sáu pha ......31 2.2.1.1 Xác định hàm offset và áp điều khiển ..............................................33 2.2.1.2 Kỹ thuật sóng mang .........................................................................36 2.2.2 Kỹ thuật điều khiển PWM giảm CMV cho BNL 6 pha ..........................36 2.3 Các kỹ thuật RCMV 4S-CBPWM cho biến tần nguồn áp sáu pha ................39 2.3.1 Kỹ thuật RCMV4S-CBPWM với CMV trung bình VcomMid ...................40 2.3.2 Kỹ thuật 4S-CBPWM với điện áp common mode tối ưu trị trung bình điện áp commen mode vcomOpt .....................................................................42 2.3.3 Kỹ thuật RCMV POD-CBPWM. ............................................................43 2.4 Kết quả nghiên cứu .........................................................................................44 2.4.1 Kỹ thuật SIN PD_ CBPWM ....................................................................45 2.4.2 Kỹ thuật SIN POD CBPWM ...................................................................46 2.4.3 Kỹ thuật RCMV 4S-PWM với VcomMid...............................................48 2.4.4 Kỹ thuật RCMV4S-CBPWM với VcomOpt ...........................................50 2.5 Kết luận ...........................................................................................................52
XI CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG SPIM ............................................................................................................ 53 3.1 Giới thiệu sơ lược tình hình nghiên cứu .........................................................53 3.2 Điều khiển vector (FOC) cho hệ truyền động SPIM ......................................54 3.2.1 Nguyên lý điều khiển FOC ......................................................................55 3.2.2 Bộ điều khiển PI cho điều khiển vector hệ truyền động SPIM ...............60 3.3 Cấu trúc điều khiển phi tuyến trong điều khiển vector FOC của hệ truyền động SPIM ............................................................................................................62 3.3.1 Kỹ thuật điều khiển BS đề xuất cho bộ điều khiển tốc độ và từ thông rotor vòng ngoài ...............................................................................................62 3.3.2 Bộ điều khiển PCH đề xuất cho điều khiển dòng vòng trong .................64 3.4 Kết quả nghiên cứu .........................................................................................66 3.5 Kết luận ...........................................................................................................79 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT TỐC ĐỘ THÍCH NGHI CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG SPIM KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ................................... 80 4.1 Giới thiệu sơ lược tình hình nghiên cứu .........................................................80 4.2 Ứng dụng NN trong điều khiển không cảm biến hệ truyền động SPIM ........82 4.2.1 Giới thiệu về NN .....................................................................................82 4.2.2 Cấu trúc của mạng nơ ron nhân tạo .........................................................83 4.2.3 Phân loại mạng nơ ron nhân tạo ..............................................................84 4.2.4 Các phương pháp huấn luyện mạng nơ-ron ............................................86 4.2.5 NN trong ứng dụng ước lượng tốc độ .....................................................87 4.3 Bộ quan sát tốc độ MRAS kinh điển dựa theo từ thông rotor (RF_MRAS) ..87 4.4 Bộ quan sát tốc độ NN SM_SC_MRAS .........................................................89 4.4.1 Giải thuật ước lượng tốc độ .....................................................................92 4.4.2 Nhận dạng từ thông rotor và ước lượng điện trở .....................................93 4.4.2.1 Nhận dạng từ thông rotor .................................................................93 4.4.2.2 Ước lượng điện trở stator .................................................................96 4.5 Phân tích ổn định của bộ quan sát NNSM_SC_MRAS .................................97 4.6 Kết quả nghiên cứu .........................................................................................99 4.7 Kết luận .........................................................................................................117
XII CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG CỦA XE ĐIỆN.......................................................................................... 118 5.1 Giới thiệu ..................................................................................................118 5.2 Mô hình toán của hệ thống đẩy trong xe điện ..........................................120 5.3 Kết qủa mô phỏng và phân tích ................................................................123 5.4 Kết luận ....................................................................................................129 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI .......................................................................................................................... 131 Kết luận ...............................................................................................................131 Đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai .........................................................133 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ ................ 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 138
XIII DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phân bố các cuộn dây trong SPIM bất đối xứng .......................................11 Hình 1. 2: Sơ đồ tổng quan của một hệ SPIM VSI ...................................................17 Hình 1. 3: Phân loại các phương pháp điều khiển hệ truyền động xoay chiều .........19 Hình 1. 4: Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor gián tiếp (IFOC).........21 Hình 1. 5: Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor trực tiếp (DFOC) ........21 Hình 1. 6: Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) ..................................22 Hình 1. 7: Phân loại các kỹ thuật điều khiển không cảm biến ..................................25 Hình 1. 8: Sơ đồ của hệ thống điều khiển vector không cảm biến hệ truyền động động cơ không đồng bộ sáu pha. ........................................................................................26 Hình 2. 1: Sơ đồ bộ nghịch lưu áp ba pha .................................................................32 Hình 2. 2: Giản đồ vector điện áp không gian trong kỹ thuật 4S-SVPWM .............33 Hình 2. 3: Giản đồ xung kích kỹ thuật RCMV 4S CBPWM cho BNL ba pha ........36 Hình 2. 4: Kỹ thuật CBPWM cho hệ truyền động 6 pha .........................................37 Hình 2. 5: Mô tả khối CBPWM cho BNL I ..............................................................39 Hình 2. 6: Đồ thị chi tiết tương quan trị trung bình điện áp common mode ............41 Hình 2. 7: Đồ thị chi tiết tương quan trị trung bình điện áp common mode ecomMax, VcomOpt (màu đỏ) và ecomMin khi chỉ số điều chế m= 1 ......................................43 Hình 2. 8: Mô tả khối CBPWM cho BNL II .............................................................44 Hình 2. 9: Kỹ thuật SIN POD-CBPWM mở rộng với m=1. Điện áp Vcom ............44 Hình 2. 10: Kỹ thuật điều khiển Sin PD_CBPWM: .................................................46 Hình 2. 11: Kỹ thuật điều khiển Sin POD CBPWM: ...............................................48 Hình 2. 12: Kỹ thuật giảm common mod RCMV4S-CBPWM với CMV trung bình Vcommid: ..................................................................................................................50 Hình 2. 13: Kỹ thuật giảm common mod RCMV4S-CBPWM với CMV trung bình VcomOpt:…………………………….. ....................................................................51 Hình 3. 1: Chuyển đổi sang khung tham chiếu cố định αβ .......................................56 Hình 3. 2: Sự chuyển đổi từ khung tham chiếu cố định αβ sang khung tham chiếu quay dq ......................................................................................................................56 Hình 3. 3: Điều khiển véc tơ gián tiếp của SPIM .....................................................57
XIV Hình 3. 4: Tính góc quay của từ thông theo phương pháp gián tiếp tựa theo từ thông rotor ...........................................................................................................................58 Hình 3. 5: Sơ đồ hệ truyền động SPIM điều khiển theo phương pháp điều khiển vector (IFOC) .......................................................................................................................59 Hình 3. 6: Sơ đồ hệ truyền động SPIM điều khiển theo phương pháp .....................60 Hình 3. 7: Sơ đồ bộ điều khiển tốc độ sử dụng bộ điều khiển PI .............................61 Hình 3. 8: Sơ đồ bộ điều khiển dòng sử dụng bộ điều khiển PI ..............................61 Hình 3. 9: Các vector ảo isd*, isq*. ..........................................................................62 Hình 3. 10: Điều khiển BS_PCH cho hệ truyền động SPIM ....................................67 Hình 3. 11: Đáp ứng tốc độ, mô men trong quá trình đảo chiều ..............................69 Hình 3. 12: Đáp ứng tốc độ trong trường hợp không tải ..........................................72 Hình 3. 13: Đáp ứng tốc độ trong trường hợp tải định mức .....................................74 Hình 3. 14: Đáp ứng tốc độ, mô men trong trường hợp có nhiễu tải ........................76 Hình 3. 15: Điều khiển BSC_PSH a. Rr danh định; b. Rr=3Rr danh định…………78 Hình 4. 1: Cấu trúc một mạng nơ ron .......................................................................83 Hình 4. 2: Mạng truyền thẳng một lớp ......................................................................85 Hình 4. 3: Mạng hồi qui một lớp...............................................................................85 Hình 4. 4: Bộ ước lượng RF_MRAS sử dụng bộ điều khiển PI ...............................88 Hình 4. 5: Bộ quan sát tốc độ SMNN_ SC_ MRAS .................................................91 Hình 4. 6: Hệ truyền động SPIM điều khiển vector không cảm biến tốc độ theo phương pháp FOC sử dụng bộ điều khiển BS_PCH và bộ quan sát NNSM_SC_MRAS .................................................................................................101 Hình 4. 7: Đáp ứng tốc độ và từ thông của SPIM ở tốc độ tham chiếu dạng nấc...102 Hình 4. 8: Đáp ứng tốc độ của SPIM ở tốc độ tham chiếu dạng tam giác đảo chiều .................................................................................................................................105 Hình 4. 9: Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor ...........................................................107 Hình 4. 10: Đáp ứng tốc độ, mô men ......................................................................108 Hình 4. 11: Đáp ứng tốc độ, mô men ở dải tốc độ trung bình ................................108 Hình 4. 12: Đáp ứng tốc độ, dòng sáu pha dải tốc độ thấp ....................................109 Hình 4. 13: Kết qủa mô phỏng của hệ khi tham số động cơ thay đổi (Rs) .............111 Hình 4. 14: Hoạt động của hệ truyền động SPIM ở bốn góc phần tư .....................113
XV Hình 4. 15: Đáp ứng tốc độ trong chế độ động cơ và hãm tái sinh ở dải tốc độ thấp .................................................................................................................................114 Hình 4. 16: Đáp ứng tốc độ trong chế độ động cơ và hãm tái sinh ở dải tốc độ cao .................................................................................................................................114 Hình 4. 17: Đáp ứng tốc độ, mô men ở tốc độ 100 rad/s khi có nhiễu tải: .............117 Hình 5. 1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển của hệ thống đẩy EV ..................119 Hình 5. 2: Truyền động FOC sử dụng BS_PCH kết hợp bộ quan sát tốc độ NN_SM_SCMRAS cho mô hình EV......................................................................120 Hình 5. 3: Chu kỳ thử nghiệm lái tiêu chuẩn Châu Âu ECE-40 đã sửa đổi cho SPIM và đáp ứng dòng isq cho SPIM. ..............................................................................125 Hình 5. 4: Đáp ứng tốc độ, sai số ước lượng, dòng, mô men trong: .......................126 Hình 5. 5: Đáp ứng tốc độ, sai số ước lượng, dòng, mô men trong chu trình khảo sát thử nghiệm thứ ba: Dựa theo mẫu chu trình khảo sát trong [150] .........................127 Hình 5. 6: Mô tả đường trong quá trình vận hành EV thử nghiệm .........................127 Hình 5. 7: Đáp ứng tốc độ, sai số ước lượng, dòng, mô men, điện áp common mode trong chu trình khảo sát thử nghiệm trường hợp 2 thực hiện dựa theo……………128
XVI DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT AC Dòng xoay chiều AI Trí tuệ nhân tạo ANN Mạng nơ ron nhân tạo ADALINE Mạng nơ ron tuyến tính B Hệ số ma sát BCL Bộ chỉnh lưu BNL Bộ nghịch lưu BS Backstepping BSC Điều khiển Backstepping BQS Bộ quan sát BPN Giải thuật huấn luyện lan truyền ngược CBPWM Điều chế độ rộng xung sóng mang CM Mô hình dòng DC Dòng một chiều DFOC Điều khiển tựa theo từ thông rotor trực tiếp DTC Điều khiển trực tiếp mô men DPWM Điều chế độ rộng xung gián đoạn DSP Bộ xử lý tín hiệu số ĐK Bộ điều khiển ĐKD Bộ điều khiển dòng EKF Extended Kalman Filter EV Xe điện FLC Điều khiển logic mờ FOC Điều khiển tựa theo từ thông rotor GA Giải thuật di truyền HEV Xe điện lai IM Động cơ không đồng bộ ba pha IFOC Điều khiển tựa theo từ thông rotor gián tiếp IMC Ma trận biến đổi gián tiếp LPF Bộ lọc thông thấp
XVII LS Giải thuật bình phương cực tiểu tuyến tính m Tỉ số điều chế của bộ chỉnh lưu ma Tỉ số điều chế biên độ của bộ chỉnh lưu Max,mid,min Hàm giá trị cực đại, trung bình, cực tiểu MRAS Hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu NN Mạng nơ ron nhân tạo NNSM_SC_MRAS Hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu dựa vào dòng stator sử dụng mạng nơ ron và mô hình trượt BPN _NNSC_MRAS Hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu dựa vào dòng stator sử dụng mạng nơ ron với giải thuật BPN để ước lượng tốc độ OLS_NNSM_SC_MRAS Hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu dựa vào dòng stator sử dụng mạng nơ ron với giải thuật OLS để ước lượng tốc độ NNCM_SC_MRAS Hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu dựa vào dòng stator sử dụng mô hình dòng để ước lượng từ thông rotor PCH Điều khiển Hamiltonia PD Sóng mang dạng tam giác bố trí cùng pha PID Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ POD Sóng mang dạng tam giác bố trí dịch pha 180 độ PI Bộ điều khiển tích phân tỷ lệ PWM Điều chế độ rộng xung PMSM Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Giảm điện áp common mode sử dụng 4 vector trạng RCMV 4S_CBPWM thái theo phương pháp điều chế sóng mang RF Từ thông rotor Hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu dựa theo từ RF_MRAS thông rotor SPIM Động cơ không đồng bộ sáu pha SPIMD Hệ truyền động động cơ không đồng bộ sáu pha
XVIII SPVSI Biến tần nguồn áp sáu pha SMC Điểu khiển mô hình trượt SM Mô hình trượt SC Dòng Stator SC_MRAS Hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu dựa vào dòng Stator SPVSI Biến tần nguồn áp sáu pha SV Điều chế vector không gian SVPWM Điều chế độ rộng xung vector không gian SINPWM Điều chế độ rộng xung sin OBS Bộ quan sát U1xn Thành phần cơ bản của điện áp tải pha x VC Điều khiển Vector VM Mô hình áp VSI Biến tần nguồn áp VSD Phân rã không gian vector Vcom Điện áp common mode Vcommid Điện áp common mode trung bình VcomOpt Điện áp common mode tối ưu Vref_a, V ref_b, V ref_c Điện áp tham chiếu pha a,b,c Vdka, Vdkb, Vdkc Điện áp điều khiển pha a,b,c