Đặt vấn đề Điều khiển động cơ điện là lĩnh vực thu hút được nhiều hoạt động tiềm năng, trong đó những nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất là vấn đề cần được quan tâm và phát triển lâu dài. Để có được chất lượng cao trong đáp ứng, hầu hết các bộ điều khiển động cơ yêu cầu cần phải có tín hiệu hồi tiếp, đó là các thông số cơ điện phục vụ cho điều khiển vòng kín; đặc biệt trong điều khiển động cơ xoay chiều, với những phương pháp điều khiển véc-tơ càng đòi hỏi cần phải biết chính xác các thông số cơ điện của động cơ như: dòng điện stator, rotor, từ thông rotor, tốc độ, vị trí trục rotor [1], [2]… ei Điều khiển ref e Điều khiển Các khóa +- tốc độ + iref - dòng điện bán dẫn iact Cảm biến dòng điện act Cảm biến tốc độ Hình 1. Sơ đồ điều khiển động cơ điện một chiều có tín hiệu hồi tiếp [3] Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động có những thông số rất khó có thể đo đạc trực tiếp vì các chi tiết chuyển động liên tục, làm tăng độ phức tạp, kích thước gây khó khăn trong quá trình lắp đặt các bộ phận cảm biến; ảnh hưởng đến kết cấu hệ thống, tăng chi phí sản xuất, hơn nữa các loại cảm biến thường nhạy cảm và hạn chế với môi trường như: rung động, nhiệt độ dẫn đến làm giảm hiệu suất trong các điều kiện không chắc chắn và có thể không hoạt động tốt ở tốc độ cao [1], [2], [4]. Do đó, nghiên cứu tập trung theo hướng thay thế cảm biến phần cứng bằng giải thuật ước lượng phần mềm, dựa trên những đại lượng có sẵn hoặc dễ dàng trực tiếp đo đạc chính xác để có thể ước lượng ra những thông số cần thiết khác.
Với phương pháp này, có nhiều ưu điểm như: giảm đi sự phức tạp của phần cứng, giá thành thấp, giảm kích thước của bộ điều khiển, không cần dây dẫn kết nối với cảm biến, khả năng chống nhiễu tốt hơn, tăng độ tin cậy, giảm các hoạt động bảo trì hệ thống, vì vậy một khi động cơ hoạt động trong môi trường phức tạp thường yêu cầu cần phải ước lượng các thông số [4]–[6]. 6 Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là có những phương pháp nào có thể ước lượng ra các thông số động cơ nhưng không làm giảm hiệu suất. Với những ưu điểm như: tính bền vững, hội tụ trong thời gian hữu hạn, phản hồi động học nhanh, ít lệ thuộc vào thông số hệ thống, có khả năng loại bỏ nhiễu bên ngoài; điều khiển trượt được đánh giá có nhiều ưu thế trong việc giải quyết bài toán ước lượng cho hệ thống có nhiều thông số bất định trong quá trình hoạt động như động cơ điện [7]–[10]. Thiết kế bộ điều khiển trượt bao gồm hai bước: lựa chọn mặt trượt như một mô hình động học mong muốn cho hệ thống đạt được; thiết kế luật điều khiển sao cho bất kì biến trạng thái nào nằm ngoài mặt trượt được điều khiển tới và duy trì trên mặt trượt tiến về vị trí cân bằng trong thời gian hữu hạn [11].
Tuy nhiên, điểm bất lợi của phương pháp điều khiển trượt là trong tín hiệu điều khiển tích hợp thành phần điều khiển đóng ngắt không liên tục dẫn đến tồn tại hiện tượng không mong muốn thường được gọi là “chattering”[9], [12]. Đây là nguyên nhân làm cho chất lượng của giá trị ước lượng không chính xác, luôn tồn tại một sai số xác lập lớn giữa giá trị ước lượng và giá trị thật; dẫn đến kết quả ước lượng làm ảnh hưởng tới bộ điều khiển, gây ra các hỏng hóc cơ cấu của chi tiết điều khiển. Hiện tượng chattering trong điều khiển trượt [13] Chính vì vậy, việc phát triển giải thuật ước lượng thông số cho các loại động cơ điện, dựa trên cơ sở phát triển lý thuyết điều khiển trượt là vấn đề cần được nghiên cứu, với mục đích làm giảm thấp nhất hiện tượng chattering, rút ngắn thời gian đáp ứng, nhằm nâng cao chất lượng điều khiển, đem lại hiệu quả kinh tế cao cho các bộ điều khiển động cơ. Những công trình nghiên cứu liên quan Trong điều khiển động cơ điện một chiều, việc điều khiển đơn giản khi điều khiển tách biệt hoàn toàn hai thành phần: tạo từ thông và mô men quay thông qua điều chỉnh dòng kích từ và dòng điện phần ứng.
Tuy nhiên, đối với điều khiển động cơ xoay chiều có phần phức tạp hơn khi muốn tách biệt hai thành phần này, nhất là khi tốc độ động cơ tăng hoặc giảm và khi hệ thống ở vùng suy giảm từ thông. Chính vì vậy, có nhiều nghiên cứu phục vụ trong điều khiển động cơ xoay chiều, nổi trội là các phương pháp điều khiển véc-tơ. Các phương pháp điều khiển động cơ điện xoay chiều [14] Năm 1971, Blaschke’s đã tìm ra phương pháp điều khiển tốc độ động cơ dựa trên việc điều khiển tách biệt từ thông và mô men, phương pháp này được gọi là điều khiển tựa từ thông (FOC). Đặc điểm của phương pháp FOC là điều khiển động cơ trên hệ tọa độ quay (d-q), được tính từ hệ tọa độ xoay chiều ba pha; cho phép điều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo mô men quay [2].
Năm 1986, nghiên cứu của Takahashi được nhiều sự quan tâm khi tìm ra phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men (DTC) [15].Habetler cùng với sinh viên trường kỹ thuật điện thuộc viện nghiên cứu kỹ thuật Geogria (Atlanta) nghiên cứu phát triển phương pháp điều khiển DTC cho IM sử dụng phương pháp véc-tơ không gian [16]. Trong các phương pháp điều khiển nêu trên, để lựa chọn các véc-tơ phù hợp, điều khiển đạt được hiệu suất cao thì cần phải biết thông số cơ điện của động cơ, trong đó các giá trị có thể đo đạc trực tiếp được thường là giá trị dòng điện và điện áp stator, để có thể ước lượng ra các giá trị khó đo đạc trực tiếp được như: từ thông rotor, điện trở, vận tốc và góc rotor. Vị trí bộ ước lượng trong phương pháp điều khiển động cơ [17] Để giải quyết những yêu cầu đặt ra, có nhiều lý thuyết nghiên cứu ước lượng thông số cơ điện của động cơ như: Phương pháp ước lượng thông số dựa vào mô hình thích nghi để ước lượng tốc độ và góc rotor cho động cơ PMSM [18] hoặc dùng để ước lượng tốc độ và điện trở IM [19]; phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman Filter mở rộng ước lượng thông số cơ điện cho động cơ PMSM [20], động cơ IM [21]; phương pháp quan sát từ thông thích nghi [22]; phương pháp quan sát Luenberger [23]. Ưu điểm của các phương pháp này là thiết kế dễ dàng, bước đầu đạt được những kết quả khả quan nhưng có khuyết điểm là phụ thuộc nhiều vào thông số mô hình; đặc biệt đối với những đối tượng phi tuyến như động cơ điện, các thông số thường dễ thay đổi trong quá trình hoạt động, do đó dẫn đến kết quả ước lượng không chính xác.
Các phương pháp điều khiển thông minh cũng được sử dụng cho bài toán ước lượng thông số cơ điện của động cơ như: sử dụng bộ điều khiển mờ trong ước lượng và điều khiển động cơ IM [24], sử dụng Neural Network ước lượng thông số PMSM [25], ước lượng điện trở stator sử dụng mạng thần kinh nhân tạo cho động cơ IM [26]. Các phương pháp điều khiển này đạt được hiệu suất cao; tuy nhiên chúng tương đối phức tạp và yêu cầu thời gian tính toán lớn, khó tích hợp vào các bộ điều khiển nhúng, phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế, khó phân tích ổn định. Được nghiên cứu từ những năm 1977 bởi Utkin, điều khiển trượt được ứng dụng trong những hệ thống tuyến tính và phi tuyến như: điều khiển máy, điều khiển chuyển động, điều khiển quá trình, robot, động cơ, bộ chuyển đổi điện tử công suất [27]–[31]…Trong những thập kỷ gần đây, điều khiển trượt còn được phát triển trong 9 nhiều ứng dụng khác như: kiểm soát tắt nghẽn và phát hiện bất thường; quan sát phát hiện lỗi ở mạng TCP/IP [32]–[34]. Phương pháp ước lượng thông số cơ điện dựa trên sử dụng lý thuyết điều khiển trượt, được xem là có lợi thế vì tính bền vững với sự thay đổi thông số, là phương pháp ứng dụng tiềm năng cho động cơ điện [35], [36].
Ước lượng thông số cơ điện được chuyển thành bài toán điều khiển mô hình quan sát tiến tới giá trị thực tế được đo từ cảm biến, bắt buộc các biến trạng thái hội tụ về mặt trượt, được định nghĩa là: S(t) = 0. Trong đó S(t) là hàm của sai số giữa giá trị ước lượng với giá trị thực tế và đạo hàm theo thời gian của nó. Với giả thuyết những tín hiệu không xác định là những thông số hệ thống thường xuyên thay đổi và tín hiệu nhiễu. Có hai giả thuyết đặt ra trong điều khiển trượt: (i) giả sử giới hạn của những tín hiệu không xác định được biết trước (ii) sử dụng tín hiệu điều khiển không liên tục dựa trên giới hạn để giải quyết những tín hiệu không biết trước này.
Chuyển động trượt lý tưởng duy nhất tồn tại ở tần số đóng ngắt trong thời gian vô hạn. Vì thế tại thời điểm điều khiển, tồn tại hiện tượng không mong muốn trong điều khiển trượt là chattering, kết quả của những tín hiệu điều khiển đóng ngắt không liên tục [36]. Từ đó, có những công trình nghiên cứu nhằm khắc phục khuyết điểm điều khiển trượt. Phương pháp khắc phục nhược điểm của điều khiển trượt khi kết hợp với bộ điều khiển khác cũng được nghiên cứu trong [37], [38] bằng cách kết hợp bộ điều khiển trượt và bộ điều khiển thích nghi với mục đích làm giảm chattering, khi đó giá trị nhiễu của tải được xác định bằng ngõ ra bộ điều khiển trượt.
Ngoài ra, kết hợp bộ điều khiển mờ với trượt được trình bày trong [39], [40] để điều khiển hệ thống đạt được đáp ứng bền vững trước những thay đổi của thông số cơ điện và khử được nhiễu tải không biết trước. Kết hợp các phương pháp điều khiển làm giảm đi dao động tần số cao do nguyên nhân bởi chattering, không ảnh hưởng đến độ chính xác và bền vững của điều khiển. Tuy nhiên, các phương pháp này tồn tại khuyết điểm chung là làm tăng thời gian tính toán đẫn đến tăng thời gian đáp ứng của hệ thống; không thích hợp với những hệ thống có thông số bất định; và yêu cầu điều kiện biên trong quá trình điều khiển, do đó chúng khó có thể áp dụng được cho các phương pháp điều khiển véc-tơ.