Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về động cơ từ trở; Phương trình đặc tính từ thông của động cơ từ trở có xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm và bão hòa mạch từ; Điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở được phát triển theo mô hình kết hợp phi tuyến; Điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở kết hợp bộ quan sát trạng thái phi tuyến, bộ ước lượng bằng mạng nơ ron nhân tạo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở

MỞ ĐẦU  Tính cấp thiết của đề tài Động cơ từ trở (SRM), với cấu tạo vô cùng đơn giản và nhiều ưu điểm, có khả năng ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ thống truyền động công nghiệp và thiết bị gia dụng. Tuy nhiên, động cơ từ trở có nhược điểm lớn là mô men đập mạch cao, tiếng ồn tạo ra khá lớn, đặc tính phi tuyến phức tạp. Điều này đã ảnh hưởng không nhỏ đến phạm vi ứng dụng của SRM. Những năm gần đây, SRM được sử dụng rất nhiều trong phương tiện xe điện phục vụ du lịch. Những nghiên cứu cải thiện đặc tính làm việc của SRM cũng được quan tâm giải quyết nhiều hơn. Nâng cao chất lượng và hiệu suất làm việc của SRM là một yêu cầu cấp thiết và đó cũng chính là động lực thúc đấy NCS lựa chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở”.  Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở dựa trên phân tích cấu trúc và các giải thuật điều khiển. Đề xuất các giải thuật điều khiển mới nhằm nâng cao tính ổn định tốc độ cho SRM.  Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Trong luận án, động cơ từ trở 8/6 được chọn là đối tượng nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu của luận án là nghiên cứu đề xuất các giải pháp điều khiển mới nhằm cải thiện đặc tính tốc độ của SRM.  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Luận án tập trung nghiên cứu phương pháp mô hình hóa SRM để từ đó đề xuất một phương pháp nhận dạng mô hình thuận nghịch của SRM bằng mạng nơ ron nhân tạo kết hợp kỹ thuật học sâu có xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và hỗ cảm giữa các pha. Xây dựng bộ điều khiển ổn định tốc độ động cơ trên mô hình phi tuyến mới kết hợp bộ quan sát trạng thái dựa trên kỹ thuật Backstepping, quan sát phi 1
tuyến và xấp xỉ bằng mạng nơ ron học sâu cho SRM để giảm thiểu thiết bị đo. Ý nghĩa thực tiễn: Các bộ quan sát trạng thái phi tuyến và bộ ước lượng từ thông hoàn toàn có thể thay thế các thiết bị đo vật lý. Các bộ điều khiển mới được đề xuất trong luận án đã được phân tích, đánh giá bằng mô phỏng Matlab cho thấy khả năng ứng dụng trong thực tế.  Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án Tổng hợp và phân tích các tài liệu khoa học trong và ngoài nước về động cơ từ trở, các giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của SRM. Nghiên cứu kỹ thuật nhận dạng, quan sát trạng thái và điều khiển phi tuyến để từ đó xác định hướng nghiên cứu và phát triển cho luận án. Nghiên cứu áp dụng mạng nơ ron học sâu để xây dựng bộ ước lượng từ thông cho SRM. Kết hợp kỹ thuật Backstepping với kỹ thuật quan sát trạng thái, kỹ thuật nhận dạng để xây dựng bộ điều khiển mới nhằm cải thiện đặc tính tốc độ và giảm thiểu thiết bị đo cho SRM.  Các đóng góp mới của luận án - Đề xuất phương trình đặc tính từ thông có xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm giữa các pha và bão hòa mạch từ. - Xây dựng mô hình thuận và nghịch của SRM bằng mạng nơ ron nhân tạo kết hợp kỹ thuật học sâu. - Tổng hợp được bộ điều khiển Backstepping kết hợp với bộ quan sát trạng thái phi tuyến và bộ ước lượng từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo điều khiển tốc độ trên mô hình kết hợp phi tuyến của động cơ từ trở, để giảm thiểu thiết bị đo. Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ 1.1 Giới thiệu về động cơ từ trở  Cấu trúc động cơ Động cơ từ trở gồm động cơ từ trở đồng bộ và động cơ từ trở chuyển mạch, có thể thực hiện chuyển động quay (động cơ quay) hoặc chuyển động thẳng (động cơ tuyến tính). Luận án này, tác giả tập trung vào động cơ từ trở chuyển mạch chuyển động quay (sau đây có thể gọi tắt là động cơ từ trở hay SRM). 2
Hình 1.1 Cấu trúc động cơ từ trở 8/6 (nguồn [12])  Nguyên lý hoạt động Hình 1.1 trình bày cấu tạo của động cơ từ trở loại 4 pha 8/6. Để động cơ quay, từng cuộn dây pha trên cực stator được cấp điện lần lượt. Giả sử ban đầu, cực rotor ở vị trí thẳng hàng với cực từ pha 1-1’ của stator, ta kích thích dòng điện vào dây quấn pha 2-2’ như hình 1.1. Lúc này xuất hiện từ trường trong cực từ pha 2-2’, móc vòng qua cực từ rotor, lực từ trường sinh ra mômen kéo rotor quay tới vị trí đồng trục với pha 2-2’. Tiếp đó, ta lại kích thích pha 3-3’, rồi pha 4-4’, quá trình diễn ra tương tự, động cơ duy trì chuyển động theo chiều kim đồng hồ.  Ưu điểm, hạn chế của động cơ Động cơ từ trở có các tính năng nổi bật như sau [12]: cấu tạo đơn giản, độ bền cao, động cơ hoạt động ở vùng tốc độ lớn. Rotor không có nam châm vĩnh cửu, không có cuộn dây nên nhiệt độ cho phép của rotor cao hơn các loại động cơ khác. Giá trị của mô men không phụ thuộc chiều dòng điện, vì thế có thể đơn giản hoá bộ biến đổi, giảm chi phí của hệ thống. Ở động cơ từ trở không có hiện tượng quá dòng làm hỏng các van công suất, do đó, bộ biến đổi có độ tin cậy cao. Mô men khởi động lớn, hiệu suất điều khiển tốc độ tốt, không có tác động của dòng điện trong động cơ tại thời điểm khởi động. Mạch từ động cơ làm việc trong cả vùng tuyến tính và bão hoà của đường đặc tính từ B-H, mật độ công suất trên khối lượng lớn. Do các vòng dây được quấn riêng biệt trên các cực stator nên khi có sự cố ở một pha thì không ảnh hưởng đến các pha khác. Bên cạnh những ưu điểm trên, động cơ từ trở cũng tồn tại những nhược điểm lớn, những nhược điểm này do đặc điểm cấu 3
trúc vốn có của động cơ từ trở tạo nên. Cấu trúc rotor cấu tạo cực lồi làm từ thông động cơ có tính phi tuyến mạnh, khe hở không khí sinh ra giữa rotor và stator lớn làm từ trở lớn, dẫn đến mô men đập mạch lớn. Động cơ có tiếng ồn lớn. Đồng thời, do tính phi tuyến rất mạnh, nên việc điều khiển cũng như tổng hợp các bộ điều khiển cho động cơ này cũng trở nên khó khăn và trở thành nhược điểm của SRM. 1.2 Phƣơng trình toán học của động cơ Động cơ từ trở có phương trình toán cơ bản giống như các loại động cơ thông thường khác, gồm: phương trình điện áp, phương trình mô men và phương trình cơ.  d (i,  ) u  Ri  dt (1.1)   W ' (i, ) T (i,  )  (1.5)    d m Te  Tl  J dt  Bm (1.9)  1.3 Các giải pháp cải thiện đặc tính làm việc của động cơ từ trở Đặc tính làm việc của động cơ nói chung gồm nhiều loại đặc tính như đặc tính mô men, đặc tính tốc độ, đặc tính dòng điện, đặc tính từ thông hay đặc tính tổn hao,.... Các phương pháp để cải thiện các đặc tính làm việc cho SRM tập trung vào giải pháp thay đổi cấu trúc và giải pháp điều khiển.  Giải pháp thay đổi cấu trúc động cơ Nhiều công trình nước ngoài đã can thiệp vào cấu trúc SRM nhằm cải thiện đặc tính mô men, nhất là giảm mô men đập mạch, cải thiện đặc tính từ thông. Một số thiết kế mới như: gắn thêm nam châm vào gông rotor [17], thay đổi chiều các lá thép xếp hướng dọc trục [18], [19], sử dụng nhôm nguyên khối trong rotor [20]. Cải tiến tăng số cực rotor [22-24], thiết kế thêm vòng đệm ở gông stator [26] hay cải tiến hình dạng cực rotor [28], hình dạng mỏm cực rotor và stator [29]. Các nghiên cứu như [32] hay [34] nhằm cải thiện từ thông trong động cơ. Các nghiên cứu này làm tăng tính phức tạp trong chế tạo động cơ từ 4
trở, khiến điểm mạnh của động cơ là cấu trúc đơn giản trở thành điểm yếu. Những nghiên cứu còn nhiều hạn chế nên chưa thể chế tạo thương mại.  Giải pháp điều khiển động cơ Một số công trình sử dụng các thuật toán điều khiển khác nhau nhằm cải thiện đặc tính mô men, tốc độ cho SRM, như điều khiển logic mờ [35], điều khiển phân bổ mô men [36], tối ưu hóa góc đóng/mở [39], ước lượng vị trí rotor sử dụng bộ điều khiển CMAC [40], điều chế dòng điện pha [41], điều khiển trượt [43], điều khiển Backstepping [52]. Một số công trình can thiệp vào bộ biến đổi (Converter) như [54-57] nhằm nâng cao hiệu suất của động cơ từ trở. 1.4 Kết luận chƣơng 1 Trên cở sơ phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về động cơ từ trở, dựa vào các phương trình toán học của động cơ từ trở, tác giả luận án tập trung vào giải pháp điều khiển nhằm cải thiện đặc tính từ thông và đặc tính tốc độ của động cơ. Vì vậy, các chương sau của luận án sẽ trình bày: - Xây dựng phương trình từ thông mới. - Xây dựng thuật toán nhận dạng mô hình phi tuyến đầy đủ cho động cơ từ trở. - Phát triển mô hình kết hợp phi tuyến của động cơ từ trở. - Thiết kế thuật toán điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở trên cơ sở mô hình kết hợp phi tuyến. - Tổng hợp bộ điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở kết hợp bộ quan sát trạng thái phi tuyến, bộ ước lượng từ thông bằng mạng nơ ron. Chƣơng 2. PHƢƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH TỪ THÔNG CỦA ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƢỞNG CỦA HỖ CẢM VÀ BÃO HÕA MẠCH TỪ 2.1 Tổng quan về phƣơng trình đặc tính từ thông 2.1.1 Đặt vấn đề 5
Động cơ từ trở có đặc tính từ thông và mô men là một hàm phi tuyến, phụ thuộc vào dòng điện pha và vị trí rotor, để có được mô hình toán của SRM cần biết được đặc tính từ thông và mô men của SRM. Có rất nhiều công trình nghiên cứu về đặc tính từ thông nhằm đưa ra được phương trình toán học chính xác của nó. 2.1.2 Các phƣơng pháp xác định đặc tính từ thông Hiện nay, xây dựng mô hình toán SRM (cụ thể là xây dựng hàm đặc tính mô men và từ thông) thường được thực hiện theo ba phương pháp: - Phương pháp thực nghiệm - Phương pháp tính toán phần tử hữu hạn - Phương pháp nhận dạng 2.1.3 Đánh giá các công trình liên quan về phƣơng trình đặc tính từ thông Nhiều công trình nghiên cứu xây dựng đặc tính từ thông qua hàm toán học nhận dạng được [57], [59], [44], [60], [61], [65]:  i j f j ( )  j ( , i j )   s (1  e ) (2.1)  2   j ( , I j )  L j ( ) I j   s aI j   s b sin  N r  ( j  1) Ij (2.4)  m  L( )   s {a  b sin( N r )} (2.5)  ( , i )  f 0 (i )  f1 (i )cos( )  f 2 (i )cos(2 ) (2.6) M L( , i )  L0 (i )    Ln (i )cos  n  N r  k      (2.7) n 1  ( , i )  Lq i   Ldsat i  A(1  e  Bi )  Lq i  f ( )   (2.8) a2 ( ) i  ( , i )  a1 ( )(1  e )  a3 ( )i (2.10) 2.2 Phƣơng trình đặc tính từ thông có xét đến ảnh hƣởng của hỗ cảm và bão hòa mạch từ 2.2.1 Đặt vấn đề Tác giả luận án nhận thấy, mô hình từ thông của tất cả các công trình đã công bố đều tồn tại một hạn chế chung là trong hàm đặc tính từ thông đều bỏ qua ảnh hưởng của hỗ cảm giữa 6
các pha. Chính vì vậy, phần tiếp theo của luận án tác giả tiến hành đánh giá ảnh hưởng của hỗ cảm giữa các pha và đề xuất một hàm từ thông mới có xét đến cả ảnh hưởng của hỗ cảm giữa các pha và bão hòa mạch từ. 2.2.2 Đánh giá ảnh hƣởng của hỗ cảm giữa các pha trong động cơ từ trở Trong hầu hết các công trình nghiên cứu về mô hình toán của động cơ từ trở từ trước đến nay, từ thông hỗ cảm giữa các pha thường được bỏ qua. Tuy nhiên trong những ứng dụng đòi hỏi tốc độ và hiệu suất cao, ảnh hưởng của hỗ cảm đến mô men đập mạch là cần thiết phải xem xét đến. Từ thông hỗ cảm giữa các cuộn dây sẽ tăng khoảng 10% so với từ thông tự cảm của một pha [13]. Trong công trình nghiên cứu [68] tiến hành phân tích, đánh giá sai số của quá trình ước lượng độ tự cảm do hỗ cảm gây ra. Sai số khi bỏ qua hỗ cảm này được xác định là khoảng từ 1% đến 7%. Đây là con số sai số không nhỏ, chính vì vậy, ảnh hưởng của hỗ cảm giữa các pha là không thể bỏ qua trong quá trình tính toán, thiết kế mô hình toán và điều khiển động cơ từ trở. 2.2.3 Phƣơng trình đặc tính từ thông động cơ từ trở có xét đến ảnh hƣởng của hỗ cảm và bão hòa mạch từ Hàm từ thông có xét đến hỗ cảm được tác giả luận án đề xuất có dạng như sau: [i j f j ( )  a j ( )]  j ( , i j )   s (1  e ) (2.16) Mô hình được tác giả đề xuất dựa theo mô hình nhận dạng hàm từ thông trong các công trình nghiên cứu [58], [6] có cải tiến bổ sung. Mô men của pha j được xác định xấp xỉ:  df j ( )  a ( )  i f ( ) T j ( , i j )  2 s e j [1  (1  if j ( )e ] (2.22) j j f j ( ) d  s da j ( )  a ( )  i j f j ( ) + e j (1  e ) f j ( ) d Khi đó, mô men hỗ cảm TMj của pha thứ j: 7
s a ( )  i j f j ( ) TM ( , i j )  a j ( )e j (1  e ) (2.24) f j ( ) và mô men tự cảm TLj của pha thứ j trong phương trình (2.22) là:  df j ( )  a ( )  i f ( ) T j ( , i j )  2 s e [1  (1  i j f j ( )e j ] (2.25) j j f j ( ) d 2.3 Mô hình thuận của động cơ từ trở 2.3.1 Đặt vấn đề Mục tiêu của mô hình thuận là xây dựng hàm phi tuyến mô tả quan hệ giữa từ thông, mô men phụ thuộc vào dòng stator và vị trí rotor. 2.3.1 Cấu trúc mạng nơ ron của mô hình thuận Cấu trúc của mạng nơ ron nhân tạo (ANN) được sử dụng mô tả trong hình 2.3. Phương trình tính từ thông xấp xỉ:  xuf  f j   i j  a j   và yuf  1  e xu   j   f (2.31) Mô men được xấp xỉ theo công thức:   1   a j ( ) i j f j ( ) 1   a j ( ) i j f j ( ) ˆ T j ( , i j )    f ( )    j  e e  f j ( )  e e     a ( )    1   a j ( ) 1   a j ( )  1 f j ( ) e j   e j j   i f ( )    f ( )    j  e  f j ( )  e   (2.32)  Hình 2.3 Cấu trúc mạng nơ ron của mô hình thuận 8
2.3.2 Thuật toán lan truyền ngƣợc huấn luyện mạng Hình 2.4 Quá trình huấn luyện mạng Trong ANN, mục đích chính của việc huấn luyện mạng chính là cập nhật trọng số của mạng. Thuật toán huấn luyện mạng của hai mạng nơ ron được sử dụng là giống nhau theo thuật toán lan truyền ngược. Quá trình huấn luyện mạng được biểu diễn trong hình 2.4. Thông số mạng nơ ron được trình bày đầy đủ trong luận án. Kết quả nhận dạng đặc tính từ thông được tác giả đưa ra có sự so sánh, đánh giá với đặc tính từ thông thực nghiệm được công bố trong [12], đồng thời sử dụng bảng giá trị từ thông thực nghiệm này làm tập mẫu. 2.4 Mô hình nghịch của động cơ từ trở 2.4.1 Đặt vấn đề Mô hình nghịch của dòng điện stator và từ thông được coi là hàm của mô men từng pha và vị trí rotor có ước lượng được bằng mô hình. Trong nghiên cứu này, những mô hình được thực hiện bằng ANN [6]. Mô hình dòng điện nghịch và mô hình từ thông nghịch được trình bày dưới đây. 2.4.2 Cấu trúc mạng nơ ron của mô hình dòng điện nghịch Cấu trúc mạng cho ANN dựa trên mô hình dòng điện nghịch được thể hiện như hình 2.6. Hình 2.6 Cấu trúc mạng nơ ron của mô hình dòng điện nghịch 9
Phương trình dòng điện xấp xỉ:   i j T j ,   1/ 2 xu  {Kij , Tj } và yu ( xu )  T j / K j i i i (2.47) Tương tự như với mô hình thuận, thuật toán huấn luyện ANN cho mô hình nghịch được sử dụng ở đây là thuật toán lan truyền ngược sai số. 2.4.4 Mô hình từ thông nghịch đảo Hình 2.7 Cấu trúc của mô hình từ thông nghịch đảo Từ thông là một hàm của mô men và vị trí rotor có thể được ước lượng bằng cách sử dụng mô hình thuận và nghịch như ở phần 2.4.2 và 2.4.3. Phương pháp tiếp cận này được gọi là mô hình từ thông nghịch đảo và có sơ đồ cấu trúc như hình 2.7. 2.5 Kết quả mô phỏng kiểm chứng mô hình thuận và nghịch của động cơ từ trở 2.5.1 Kiểm chứng mô hình thuận Mô hình thuận của SRM bao gồm đặc tính từ thông và đặc tính mô men. Trong phần 2.5.1 này, tác giả luận án tập trung làm rõ tính chính xác của hàm từ thông có xét đến hỗ cảm so với hàm từ thông bỏ qua hỗ cảm thông qua kết quả mô phỏng đặc tính từ thông. Hình 2.9 Đường đặc tính từ thông nhận dạng trường hợp xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm 10
Từ kết quả mô phỏng hình 2.9 cho thấy, khi xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm, đặc tính nhận dạng gần như trùng khớp với đặc tính thực nghiệm chứng tỏ tính đúng đắn của hàm đặc tính từ thông đề xuất khi có xét đến hỗ cảm giữa các pha. Đồng thời, sai lệch ở trường hợp này nhỏ hơn nhiều so với trường hợp bỏ qua ảnh hưởng của hỗ cảm. Với tính đúng đắn của hàm đặc tính từ thông đề xuất này sẽ tăng thêm độ chính xác trong việc xây dựng mô hình động cơ từ trở, cũng như nâng cao chất lượng của bộ ước lượng từ thông được đề cập ở chương 4 trong luận án. Dạng đường đồ thị sai lệch thu được trong trường hợp chưa xét ảnh hưởng hỗ cảm trong hàm từ thông (hình 2.10a) đều có dạng là đường cong parabol. Trong khi dạng đường đồ thị sai lệch trong trường hợp hàm từ thông có xét đến hỗ cảm (hình 2.10b) có dạng bất kỳ không theo một quy luật nào. Như vậy, từ kết quả này, tác giả luận án nhận định rằng nếu bỏ qua hỗ cảm trong hàm từ thông sẽ làm giảm đi phần nào tính phi tuyến trong SRM, làm giảm bớt tính chính xác cần có trong mô hình toán của động cơ từ trở. (a) (b) Hình 2.10 Đồ thị sai lệch giữa đặc tính từ thông thực nghiệm và đặc tính từ thông nhận dạng với dòng 1A Bảng 2.1 Giá trị sai số với dòng 1A Hàm đặc tính từ Sai số max Sai số min Sai số trung thông bình Bỏ qua hỗ cảm (2.1) 8,8463x10-4 4,9956x10-4 3,855x10-4 Có hỗ cảm (2.16) 4x10-15 0 2,7644x10-15 11
Hình 2.16 Đồ thị đường đặc tính Hình 2.17 Đồ thị sai số đường dòng điện pha xấp xỉ đặc tính dòng điện pha xấp xỉ với đường thực tế Hình 2.18 Đồ thị đường đặc tính Hình 2.19 Đồ thị sai số của từ thông xấp xỉ theo mô hình từ đường đặc tính từ thông xấp xỉ thông nghịch theo mô hình từ thông nghịch so với đường thực tế 2.5.2 Kiểm chứng mô hình dòng điện nghịch Hình 2.16 là đường đặc tính dòng điện xấp xỉ và hình 2.17 là đồ thị sai số của đường đặc tính dòng điện nhận dạng so với đặc tính thực. 2.5.3 Kiểm chứng mô hình từ thông nghịch đảo Hình 2.18 là đường đặc tính từ thông xấp xỉ theo mô hình ngịch và hình 2.19 là đồ thị sai số của đường đặc tính từ thông nhận dạng so với đặc tính thực. Kết quả mô phỏng cho thấy tính chính xác và tính khả thi của mô hình phi tuyến đầy đủ của SRM. Các mô hình này được 12
sử dụng kết hợp cùng thuật toán điều khiển để tổng hợp hệ thống điều khiển tốc độ cho SRM thiếu cảm biến ở chương 4. 2.5 Kết luận chƣơng 2 Trong chương 2, luận án đã xây dựng phương trình toán cho đặc tính từ thông có xét đến ảnh hưởng của hỗ cảm và bão hòa mạch từ. Trên cơ sở đó đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình thuận và mô hình nghịch đảo cho SRM bằng mạng nơ ron nhân tạo và được huấn luyện bằng thuật toán lan truyền ngược. Chƣơng 3. ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING CHO ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ ĐƢỢC PHÁT TRIỂN THEO MÔ HÌNH KẾT HỢP PHI TUYẾN 3.1 Mô hình động học của động cơ từ trở 3.1.1 Đặt vấn đề Mô hình động học của động cơ từ trở trong các công trình nghiên cứu từ trước đến nay đều mô tả mô hình toán của riêng động cơ. Trong phần này, luận án trình bày mô hình động học của động cơ từ trở trên cơ sở kết hợp các pha của động cơ với các khóa chuyển mạch trong cùng một mô hình như [71], nhưng giữ nguyên mô hình động học phi tuyến của SRM. 3.1.2 Mô hình kết hợp phi tuyến của động cơ từ trở Phương trình trạng thái không gian của động cơ từ trở [71], bao gồm các phương trình sau: d  dt d 1  m    T j ( , i j )  Tl ( ,  )  (3.11) dt J  j 1  1 di j   j   j    j      Ri j    uj  i     i j  dt  j    Mô hình toán của hệ truyền động động cơ từ trở được biểu diễn ở dạng mô hình trạng thái và được trình bày dưới đây dựa trên [71]. Xét với động cơ từ trở 8/6 có m=4 pha, véc tơ trạng thái là [ , , i1 , i2 , i3 , i4 ]  [x1 , x2 , x3 , x4 , x5 , x6 ] . Phương trình trạng thái của động cơ: 13
  x 2  x3  (3.26)  x3  f  x   g  x  u  3.2 Thiết kế bộ điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở theo mô hình kết hợp phi tuyến Các bước thiết kế bộ điều khiển theo kỹ thuật Backstepping được trình bày chi tiết trong luận án. Tín hiệu điều khiển cho hệ: c2 e2  e1   f  x   1    u (3.65) g  x Bộ điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở được tổng hợp dựa trên sự tồn tại của các hàm điều khiển Lyapunov thành viên và hệ thống kín. Kết quả thiết kế được tóm tắt lại bằng nhận xét sau: Nhận xét: SRM có mô hình trạng thái (3.26) được điều khiển bằng bộ điều khiển Backstepping (3.65) trong đó c1 , c2 là các hằng số dương, g ( x)  0 , các tín hiệu điều khiển và nhiễu bị chặn, đảm bảo hệ kín ổn định Lyapunov. Cấu trúc hệ thống điều khiển Backstepping SRM (hình 3.2) với tín hiệu đặt là tốc độ mong muốn, tín hiệu đầu vào bộ điều khiển Backstepping là sai số tốc độ, điện áp, dòng điện và từ thông. Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển SRM sử dụng Backstepping 14
3.3 Kết quả mô phỏng kiểm chứng - Bộ điều khiển Backstepping được thiết kế theo mô hình SRM truyền thống (mô hình của riêng động cơ) [72] gọi là bộ điều khiển 1. - Bộ điều khiển Backstepping được thiết kế theo mô hình SRM kết hợp phi tuyến được gọi là bộ điều khiển 2. Để đánh giá chất lượng của hai bộ điều khiển, tín hiệu đặt được chọn là d  30(rad / s) , thể hiện trong hình 3.3. Hệ thống điều khiển Backstepping với mô hình kết hợp cho thời gian quá độ (0,4s) nhanh hơn so với hệ thống Backstepping với mô hình không kết hợp (0,6s). Hình 3.3 Đáp ứng tốc độ Hình 3.5 Đáp ứng tốc độ khi tốc khi d  30(rad / s) độ đặt thay đổi Tương tự, khi trường hợp tốc độ đặt thay đổi từ 15 rad/s lên 20 rad/s (hình 3.5), chất lượng điều khiển đáp ứng tốc độ của hai hệ thống là giống nhau về lượng quá điều chỉnh. Thời gian quá độ của đường đáp ứng tốc độ của hệ thống sử dụng bộ điều khiển 2 vẫn nhanh hơn, tuy không đáng kể so với hệ thống dùng bộ điều khiển 1. Hình 3.6 Đáp ứng tốc độ Hình 3.7 Đáp ứng tốc độ khi d  30(rad / s) khi giảm tải khi d  30(rad / s) khi tăng tải 15
Khi tải thay đổi, đáp ứng hệ thống có dạng như hình 3.6 và hình 3.7, chất lượng điều khiển của cả 2 bộ điều khiển là tương đương nhau và khá tốt khi lượng quá điều chỉnh nhỏ, đáp ứng được với sự thay đổi của tải. Các kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng của hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển Backstepping với mô hình kết hợp phi tuyến tốt hơn so với hệ thống điều khiển sử dụng mô hình truyền thống (giảm thời gian quá độ), xét với các trường hợp tốc độ đặt khác nhau và tải thay đổi. Các kết quả mô phỏng một lần nữa khẳng định tính chính xác của mô hình kết hợp phi tuyến SRM và sự lựa chọn kỹ thuật Backstepping để tổng hợp bộ điều khiển ổn định tốc độ cho SRM là hoàn toàn phù hợp. 3.4 Kết luận chƣơng 3 Trong chương 3, luận án đã trình bày các bước thiết kế bộ điều khiển Backstepping cho SRM có mô hình xác định và các biến trạng thái của SRM quan sát được trực tiếp. Phát biểu và chứng minh tính ổn định của hệ thống điều khiển Backstepping SRM. Các kết quả mô phỏng cho thấy lựa chọn kỹ thuật Backstepping để tổng hợp bộ điều khiển cho SRM là giải pháp phù hợp. Chƣơng 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING KẾT HỢP BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI PHI TUYẾN, BỘ ƢỚC LƢỢNG BẰNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO 4.1 Bộ điều khiển Backstepping cho động cơ từ trở kết hợp bộ quan sát trạng thái 4.1.1 Đặt vấn đề Bộ điều khiển Backstepping được đề xuất ở phần 3.2.2 chỉ thực hiện được khi các biến trạng thái của SRM được xác định. Việc xác định các biến trạng thái này chủ yếu dựa vào các thiết bị đo lường (đo dòng điện, đo điện áp, đo tốc độ), tính toán nội suy từ thông để cung cấp cho bộ điều khiển. Để hướng đến điều khiển SRM không cần đo tín hiệu ra, tác giả đề xuất phương pháp kết hợp giữa bộ điều khiển Backstepping (3.65) với bộ quan sát trạng thái phi tuyến của động cơ từ trở. 16
4.1.2 Bộ quan sát trạng thái phi tuyến Cấu trúc bộ quan sát trạng thái phi tuyến được thể hiện trong hình 4.1. Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc bộ quan sát trạng thái phi tuyến  Tổng hợp bộ quan sát từ thông phi tuyến   j  s 1 e ˆ ˆ  j  (4.5) Tổng hợp bộ quan sát vị trí rotor  Bộ quan sát vị trí rotor được đưa ra như sau: ˆ 1  G  i,     arctan  2  (4.10) Nr  G1  i,       Tổng hợp bộ quan sát tốc độ x1  x2  ˆ ˆ 1  x ˆ  ˆ 1 x2   ˆ 2  x ˆ   1 T i,ˆ   ˆ  ˆ 1 J e  L (4.13) 4.1.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển Hình 4.2 Hệ thống điều khiển Backstepping kết hợp bộ quan sát trạng thái phi tuyến 17
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển như hình 4.2. Như vậy, thay thế cho việc phải đo và tính toán trực tiếp từ thông, vị trí và tốc độ của rotor thì chỉ cần đo dòng điện, điện áp trong hệ thống. 4.1.4 Kết quả mô phỏng kiểm chứng Kết quả mô phỏng kiểm chứng bộ quan sát trạng thái phi tuyến của động cơ từ trở gồm từ thông quan sát thể hiện ở hình 4.4, vị trí rotor quan sát trong hình 4.5 và tốc độ quan sát trong hình 4.6. Kết quả mô phỏng cho thấy các biến từ thông, vị trí rotor, tốc độ thu được từ bộ quan sát cho kết quả chính xác, các giá trị sai số nhỏ. Như vậy, bộ quan sát các biến trạng thái phi tuyến của SRM hoàn toàn đảm bảo tính chính xác để sử dụng trong hệ thống điều khiển thay thế cho các biến trạng thái phải đo đạc hoặc tính toán trực tiếp. Hình 4.11 là kết quả so sánh đáp ứng tốc độ giữa bộ điều khiển Backstepping và bộ điều khiển Backstepping sử dụng bộ quan sát trạng thái với giá trị đặt d  10(rad / s) . Kết quả so sánh chất lượng điều khiển với trường hợp này được thể hiện trong bảng 4.2 của luận án. Hình 4.4 Từ thông quan sát Hình 4.5 Vị trí rotor quan sát Hình 4.6 Tốc độ quan sát 18
Như vậy, các kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng hệ thống điều khiển SRM bằng bộ điều khiển Backstepping kết hợp bộ quan sát trạng thái phi tuyến hoàn toàn đạt được các chất lượng mong muốn, tương đương với hệ thống sử dụng bộ điều khiển Backstepping thông thường. Như vậy trong thực tế chúng ta có thể tổng hợp các bộ điều khiển không cần đo các tín hiệu ra của động cơ như từ thông, tốc độ và vị trí của rotor thông qua các bộ quan sát trạng thái. Hình 4.11 Đặc tính tốc độ và sai số 4.2 Bộ điều khiển Backstepping kết hợp bộ ƣớc lƣợng từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo 4.2.1 Đặt vấn đề Giá trị từ thông không dễ dàng xác định trong thực tế. Một số phương trình tính toán từ thông có các tham số khó xác định. Để khắc phục vấn đề này, luận án nghiên cứu xây dựng bộ xấp xỉ từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo (ANN). Bộ xấp xỉ từ thông ANN được huấn luyện offline trước khi kết hợp với bộ điều khiển phi tuyến. Bộ điều khiển backstepping kết hợp với bộ xấp xỉ từ thông là một giải pháp hợp lý trong việc nâng cao chất lượng điều khiển cho SRM. 4.2.2 Bộ ƣớc lƣợng từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo Bộ ANN dùng để nhận dạng đặc tính từ thông đã được trình bày chi tiết trong chương 2 của luận án. Vì vậy, chương 4 không đề cập đến bộ ANN, các thông số của mạng nơ ron sau khi được huấn luyện được trình bày chi tiết trong luận án. 4.2.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển Kỹ thuật điều khiển Backstepping (3.65) cho SRM kết hợp 19
bộ xấp xỉ từ thông bằng mạng nơ ron có cấu trúc như trong hình 4.11. Mạng nơ ron nhân tạo sau khi được huấn huyện offline được đưa vào bộ điều khiển. Hình 4.12 Hệ thống điều khiển Backstepping kết hợp bộ ước lượng từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo 4.2.4 Kết quả mô phỏng kiểm chứng Kết quả kiểm chứng đặc tính từ thông nhận dạng được cho trong hình 4.13. Đặc tính từ thông nhận dạng từ bộ ước lượng bằng mạng nơ ron và từ thông thực được so sánh với nhau. Kết quả cho thấy bộ xấp xỉ từ thông cho kết quả gần như trùng khớp với từ thông thực, sai lệch từ thông là bằng 0, Hình 4.13b. Kết quả này cho thấy có thể sử dụng bộ xấp xỉ từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo để cung cấp giá trị từ thông cho bộ điều khiển thay cho giá trị từ thông đo lường thực nghiệm, hoặc giá trị từ thông tính toán từ các phương tình xấp xỉ. Hình 4.13 Đặc tính từ thông Bộ điều khiển Backstepping và bộ điều khiển khiển Backstepping kết hợp bộ nơ ron được sử dụng để điều khiển tốc độ cho SRM. Hình 4.15 là đáp ứng tốc độ và sai số tốc độ của 20