Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha theo phương pháp DTC dùng PI mờ lai

Nghiên cứu điều khiển động cơ KĐB 3 pha bằng phương pháp DTC, cải tiến bộ điều khiển PI thông thường với giải pháp PI mờ lai cho hiệu quả cao.

• Tác giả: Bùi Mạnh Hà
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Phương
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan phương pháp DTC PI mờ lai điều khiển động cơ

Điều khiển động cơ điện xoay chiều, đặc biệt là động cơ không đồng bộ ba pha (còn gọi là động cơ cảm ứng), luôn là một lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm trong kỹ thuật điện. Loại động cơ này được sử dụng rộng rãi nhờ cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao và giá thành hợp lý. Tuy nhiên, bản chất phi tuyến mạnh của nó đặt ra nhiều thách thức cho việc điều khiển chính xác tốc độ và momen. Luận văn “Điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai” của tác giả Bùi Mạnh Hà đề xuất một giải pháp tiên tiến để giải quyết vấn đề này. Phương pháp này kết hợp hai kỹ thuật mạnh mẽ: Điều khiển trực tiếp momen (DTC) và bộ điều khiển PI mờ lai. DTC cho phép điều khiển trực tiếp từ thông stator và momen điện từ mà không cần các khâu biến đổi tọa độ phức tạp như trong Field-Oriented Control (FOC). Trong khi đó, bộ điều khiển lai sử dụng logic mờ (fuzzy logic) để tự động điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển PI truyền thống, giúp hệ thống thích ứng tốt hơn với sự thay đổi của tải và tốc độ, đặc biệt là ở tốc độ thấp.

1.1. Tầm quan trọng của động cơ không đồng bộ ba pha

Động cơ không đồng bộ ba pha là thiết bị chủ lực trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp. Ưu điểm của chúng bao gồm cấu trúc chắc chắn, vận hành tin cậy, chi phí bảo trì thấp và hiệu suất cao. Tuy nhiên, việc điều khiển chính xác các động cơ này là một bài toán phức tạp do mô hình toán học của chúng là một hệ phi tuyến với các thông số thay đổi trong quá trình vận hành. Các phương pháp điều khiển cổ điển như V/f thường cho đáp ứng động học không cao. Vì vậy, việc nghiên cứu các thuật toán điều khiển tiên tiến là cấp thiết để khai thác tối đa tiềm năng của loại động cơ này, đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của các ứng dụng công nghiệp hiện đại.

1.2. Giới thiệu giải pháp điều khiển DTC kết hợp logic mờ

Để khắc phục nhược điểm của các phương pháp truyền thống, luận văn tập trung vào việc cải tiến phương pháp Điều khiển trực tiếp momen (DTC). DTC cổ điển, dù cho đáp ứng momen nhanh, vẫn tồn tại nhược điểm là gợn sóng momen (torque ripple) lớn và tần số đóng cắt biến thiên. Giải pháp được đề xuất là tích hợp một bộ điều khiển PI mờ lai. Thay vì sử dụng các hệ số Kp và Ki cố định, logic mờ được dùng để xây dựng một bộ chỉnh định thông minh, tự động thay đổi các hệ số này dựa trên sai lệch tốc độ và sự thay đổi của sai lệch. Cách tiếp cận này hứa hẹn cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển, giảm độ vọt lố, ổn định đáp ứng tốc độ và giảm thiểu gợn sóng momen, mang lại hiệu suất vận hành vượt trội.

II. Thách thức khi điều khiển động cơ KĐB bằng PI truyền thống

Việc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng các phương pháp kinh điển gặp phải nhiều giới hạn, chủ yếu xuất phát từ đặc tính phi tuyến và sự thay đổi thông số của động cơ. Bộ điều khiển PI truyền thống, mặc dù phổ biến và dễ thực hiện, lại tỏ ra kém hiệu quả khi hệ thống hoạt động ở dải tốc độ rộng hoặc khi tải thay đổi đột ngột. Nguyên nhân chính là các tham số Kp (khâu tỉ lệ) và Ki (khâu tích phân) được thiết lập cố định, chỉ tối ưu cho một điểm làm việc cụ thể. Khi điều kiện vận hành thay đổi, bộ điều khiển PI không còn đảm bảo được chất lượng điều khiển tối ưu, dẫn đến các vấn đề như đáp ứng chậm, độ vọt lố cao, và sai số xác lập lớn trong một số trường hợp. Đặc biệt, trong cấu trúc DTC, bộ điều khiển tốc độ vòng ngoài nếu không đủ linh hoạt sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điều khiển momen và từ thông ở vòng trong, gây ra các hiện tượng không mong muốn.

2.1. Hạn chế của bộ điều khiển PI với thông số cố định

Một bộ điều khiển PI với các tham số Kp và Ki cố định được thiết kế dựa trên một mô hình hóa động cơ tuyến tính hóa tại một điểm làm việc nhất định. Tuy nhiên, động cơ cảm ứng là một hệ thống phi tuyến. Khi tốc độ hoặc tải thay đổi, các đặc tính động học của hệ thống cũng thay đổi theo. Điều này làm cho bộ điều khiển PI cố định không còn phù hợp. Ví dụ, một bộ điều khiển được chỉnh định tốt cho tốc độ cao có thể gây ra dao động hoặc đáp ứng chậm ở tốc độ thấp. Ngược lại, việc tối ưu cho tốc độ thấp có thể làm giảm hiệu suất khi hoạt động ở tốc độ định mức. Sự thiếu linh hoạt này là rào cản lớn nhất khi yêu cầu hệ thống truyền động phải có chất lượng cao trên toàn dải hoạt động.

2.2. Vấn đề gợn sóng momen torque ripple trong DTC cổ điển

Phương pháp DTC cổ điển sử dụng bộ so sánh Hysteresis hai bậc và ba bậc để điều khiển từ thông stator và momen. Mặc dù cấu trúc đơn giản, kỹ thuật này lại tạo ra gợn sóng momen và từ thông đáng kể. Nguyên nhân là do việc lựa chọn các vector điện áp từ bảng đóng cắt chỉ dựa trên việc sai số có vượt ngưỡng hay không, thay vì tính toán một vector điện áp tối ưu. Gợn sóng momen lớn không chỉ làm giảm chất lượng điều khiển mà còn gây ra tiếng ồn và rung động cơ khí, ảnh hưởng đến tuổi thọ của hệ thống. Vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng khi động cơ hoạt động ở vùng tốc độ thấp, nơi ảnh hưởng của điện trở stator trở nên rõ rệt hơn và việc ước lượng từ thông kém chính xác.

III. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC cho động cơ

Phương pháp Điều khiển trực tiếp momen (DTC), được giới thiệu lần đầu bởi Takahashi vào năm 1986, là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực truyền động điện. Khác với điều khiển vector (FOC) yêu cầu các phép biến đổi hệ tọa độ phức tạp, DTC hoạt động trực tiếp trên hệ tọa độ cố định stator (α-β). Nguyên lý cốt lõi của DTC là điều khiển độc lập biên độ từ thông stator và momen điện từ bằng cách lựa chọn một trong sáu vector điện áp tác động và hai vector không gian từ bộ nghịch lưu VSI. Việc lựa chọn này dựa trên sai số giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng của từ thông và momen. Một bộ quan sát từ thông (flux observer) được sử dụng để tính toán các giá trị này từ điện áp và dòng điện stator đo được. Cấu trúc của DTC đơn giản, cho đáp ứng momen cực nhanh và ít phụ thuộc vào thông số động cơ, đặc biệt là hằng số thời gian rotor.

3.1. Cơ sở lý thuyết và mô hình hóa động cơ trong DTC

Nền tảng của DTC dựa trên phương trình điện áp stator trong hệ tọa độ α-β. Theo đó, sự thay đổi của vector từ thông stator tỷ lệ với tích phân của vector điện áp stator sau khi đã trừ đi sụt áp trên điện trở. Bằng cách áp một vector điện áp không đổi trong một chu kỳ lấy mẫu ngắn, có thể điều khiển quỹ đạo của vector từ thông stator di chuyển theo hướng mong muốn. Momen điện từ được tính toán dựa trên tích có hướng của vector từ thông stator và vector dòng điện stator. Về bản chất, momen tỷ lệ với sin của góc lệch giữa vector từ thông stator và vector từ thông rotor. Bằng cách chọn vector điện áp phù hợp, DTC có thể làm tăng hoặc giảm góc lệch này một cách nhanh chóng, qua đó điều khiển trực tiếp momen.

3.2. Vai trò của bộ ước lượng và bảng đóng cắt tối ưu

Trong DTC, không thể đo trực tiếp từ thông và momen. Thay vào đó, chúng được ước lượng thông qua một mô hình động cơ. Khâu ước lượng này tính toán biên độ và góc của vector từ thông stator, cũng như momen điện từ dựa trên các tín hiệu dòng điện và điện áp đầu vào. Các giá trị ước lượng này sau đó được so sánh với giá trị đặt. Dựa trên kết quả so sánh (tăng/giảm từ thông, tăng/giảm momen) và vị trí sector hiện tại của vector từ thông, một bảng đóng cắt tối ưu (Optimal Switching Table) sẽ quyết định vector điện áp nào từ bộ biến tần sẽ được áp vào động cơ. Bảng này là "bộ não" của hệ thống DTC, đảm bảo rằng thuật toán điều khiển luôn đưa ra lựa chọn đúng đắn để đưa từ thông và momen về giá trị mong muốn.

IV. Bí quyết tích hợp bộ điều khiển PI mờ lai để tối ưu DTC

Giải pháp cốt lõi của luận văn là cải tiến vòng điều khiển tốc độ bên ngoài của hệ thống DTC bằng một bộ điều khiển PI mờ lai. Thay vì sử dụng một bộ PI kinh điển với các tham số cố định, phương pháp này ứng dụng logic mờ để tạo ra một cơ chế tự chỉnh định thông minh. Bộ điều khiển lai này bao gồm hai thành phần chính: một bộ điều khiển PI cơ sở và một bộ logic mờ. Bộ logic mờ nhận đầu vào là sai lệch tốc độ (E) và đạo hàm của sai lệch tốc độ (DE), sau đó sử dụng một tập luật mờ để tính toán ra các hệ số Kp và Ki tối ưu cho từng thời điểm. Các hệ số này sau đó được cập nhật vào bộ điều khiển PI, giúp nó thích ứng linh hoạt với trạng thái hoạt động của hệ thống. Cách tiếp cận này kết hợp sự đơn giản của PI và khả năng xử lý thông tin không chắc chắn của logic mờ, tạo ra một bộ điều khiển mạnh mẽ và hiệu quả.

4.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển lai

Cấu trúc của bộ điều khiển PI mờ lai được thiết kế để hoạt động song song với vòng điều khiển DTC. Vòng điều khiển tốc độ nhận giá trị tốc độ đặt và tốc độ thực tế từ động cơ. Sai lệch tốc độ (E) và sự thay đổi của sai lệch (DE) được tính toán và đưa vào khối logic mờ. Khối này bao gồm ba giai đoạn: mờ hóa, hợp thành mờ và giải mờ. Trong giai đoạn mờ hóa, các giá trị rõ E và DE được chuyển thành các biến ngôn ngữ (ví dụ: Âm Lớn, Không, Dương Nhỏ) thông qua các hàm thuộc. Giai đoạn hợp thành sẽ áp dụng các luật mờ dạng "IF-THEN" để suy luận ra các giá trị đầu ra mờ cho Kp và Ki. Cuối cùng, giai đoạn giải mờ sẽ chuyển các giá trị mờ này thành các giá trị số rõ ràng để cập nhật cho bộ điều khiển PI.

4.2. Xây dựng luật mờ và hàm thuộc cho Kp Ki động

Việc thiết kế hệ thống mờ là bước quan trọng nhất. Các hàm thuộc cho các biến vào (E, DE) và biến ra (Kp, Ki) thường có dạng tam giác hoặc hình thang, được định nghĩa dựa trên kinh nghiệm và phân tích hệ thống. Tập luật mờ là trái tim của bộ điều khiển, phản ánh kinh nghiệm của chuyên gia. Ví dụ, một luật có thể là: "IF sai lệch E là Lớn AND thay đổi sai lệch DE là Không THEN Kp phải Lớn và Ki phải Nhỏ". Luật này có ý nghĩa rằng khi xe còn xa đích và đang tiến đều, cần tăng tốc mạnh (Kp lớn) nhưng không cần khử sai số nhanh (Ki nhỏ) để tránh vọt lố. Việc xây dựng một bảng luật đầy đủ và hợp lý sẽ quyết định trực tiếp đến chất lượng và sự ổn định của toàn bộ hệ thống điều khiển động cơ KĐB 3 pha.

V. Kết quả mô phỏng Matlab Hiệu quả của PI mờ lai DTC

Để kiểm chứng hiệu quả của phương pháp đề xuất, luận văn đã tiến hành xây dựng mô hình và thực hiện mô phỏng Matlab Simulink. Hai hệ thống điều khiển đã được xây dựng để so sánh: một hệ thống sử dụng DTC với bộ điều khiển PI truyền thống (thông số Kp, Ki cố định) và một hệ thống sử dụng DTC với bộ điều khiển PI mờ lai. Các kịch bản mô phỏng đa dạng đã được thực hiện, bao gồm khởi động không tải, thay đổi tốc độ đặt, thay đổi tải đột ngột, và đảo chiều quay. Các kết quả thu được dưới dạng đồ thị về đáp ứng tốc độ, đáp ứng momen, dòng điện stator và quỹ đạo từ thông đã cung cấp những bằng chứng thuyết phục về tính ưu việt của bộ điều khiển mờ lai. Các thông số của động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng trong mô phỏng được lấy từ các tài liệu tham khảo đáng tin cậy để đảm bảo tính chính xác.

5.1. Phân tích đáp ứng tốc độ khi thay đổi tải và tốc độ

Kết quả mô phỏng cho thấy rõ, hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI mờ lai có đáp ứng tốc độ vượt trội. Khi khởi động, tốc độ bám theo giá trị đặt nhanh hơn và có độ vọt lố thấp hơn đáng kể so với bộ PI truyền thống. Đặc biệt, khi có sự thay đổi tải đột ngột (ví dụ, từ không tải sang đầy tải), hệ thống PI mờ lai có khả năng phục hồi tốc độ nhanh hơn và độ sụt tốc độ nhỏ hơn. Điều này chứng tỏ khả năng thích ứng của bộ điều khiển, khi logic mờ đã tự động điều chỉnh Kp và Ki để tạo ra tín hiệu điều khiển mạnh mẽ hơn nhằm chống lại sự thay đổi của tải.

5.2. So sánh hiệu năng về gợn sóng momen và dòng điện

Một trong những cải tiến quan trọng nhất là việc giảm thiểu gợn sóng momen (torque ripple). Đồ thị momen của hệ thống PI mờ lai cho thấy độ nhấp nhô nhỏ hơn rõ rệt so với hệ thống PI thường, đặc biệt là trong các chế độ quá độ như khởi động hoặc thay đổi tải. Điều này là do vòng điều khiển tốc độ linh hoạt hơn đã tạo ra một giá trị momen đặt ổn định hơn cho vòng DTC bên trong. Dòng điện stator của hệ thống sử dụng PI mờ lai cũng có dạng gần sin hơn, chứng tỏ hệ thống hoạt động hiệu quả hơn và giảm tổn hao. Các kết quả mô phỏng Matlab Simulink này khẳng định rằng việc tích hợp bộ điều khiển thông minh đã khắc phục thành công các nhược điểm cố hữu của cả bộ điều khiển PI cổ điển và phương pháp DTC cơ bản.

VI. Hướng phát triển cho hệ điều khiển động cơ KĐB 3 pha

Nghiên cứu về điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai đã mở ra nhiều hướng đi mới đầy tiềm năng. Kết quả mô phỏng đã chứng minh sự thành công của việc kết hợp trí tuệ nhân tạo (cụ thể là logic mờ) vào các cấu trúc điều khiển kinh điển để tạo ra một hệ thống hiệu suất cao, thông minh và linh hoạt. Phương pháp này không chỉ cải thiện chất lượng điều khiển mà còn cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền động yêu cầu độ chính xác cao. Tuy nhiên, vẫn còn không gian để tiếp tục phát triển và hoàn thiện. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển, triển khai trên các nền tảng phần cứng thực tế và kết hợp với các kỹ thuật điều khiển tiên tiến khác để đạt được hiệu năng tối ưu.

6.1. Tóm tắt ưu điểm vượt trội của phương pháp đề xuất

Phương pháp DTC-PI mờ lai sở hữu nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống. Thứ nhất, nó cải thiện đáng kể đáp ứng tốc độ, giảm thời gian xác lập và độ vọt lố. Thứ hai, nó giảm hiệu quả gợn sóng momen và từ thông, giúp động cơ hoạt động êm ái hơn và bền bỉ hơn. Thứ ba, hệ thống có tính bền vững cao, có khả năng duy trì chất lượng điều khiển tốt ngay cả khi thông số động cơ thay đổi hoặc có nhiễu loạn từ tải. Cuối cùng, cấu trúc bộ điều khiển lai vẫn giữ được sự đơn giản tương đối, không đòi hỏi năng lực tính toán quá lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai thực tế trên các bộ vi xử lý và DSP.

6.2. Triển vọng ứng dụng và cải tiến thuật toán điều khiển

Trong tương lai, hướng phát triển của đề tài có thể tập trung vào việc triển khai thuật toán trên phần cứng để kiểm chứng kết quả thực nghiệm. Ngoài ra, có thể nghiên cứu các phương pháp tối ưu hóa tập luật mờ và hàm thuộc bằng các giải thuật di truyền hoặc mạng nơ-ron để bộ điều khiển có khả năng tự học và thích nghi tốt hơn. Một hướng đi khác là kết hợp DTC-PI mờ lai với các kỹ thuật điều chế hiện đại như điều chế độ rộng xung (PWM) vector không gian (SVPWM) để có tần số đóng cắt cố định, giảm hơn nữa gợn sóng momen và tiếng ồn. Việc ứng dụng các bộ quan sát từ thông tiên tiến hơn cũng sẽ giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống ở vùng tốc độ rất thấp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Động cơ không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành đơn giản, cạnh tranh về giá thành so với loại động cơ khác , làm việc tin cậy nên đƣợc sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống. Tuy nhiên việc điều khi ển hoạt động của động cơ không đồng bộ là tƣơng đối khó do đặc tí nh phi tuyến của động cơ. Ngày nay cùng với sƣ̣ phát triển của thiết bị điện tƣ̉ công suất và các bộ vi xử lý thì việc điều khiển ĐC KĐB trở nên dễ dàng hơn. Đặc biệt là các hệ thống xử lý tín hiệu số đã cho phép thực hiện các giải thuật phức tạp để điều khiển động cơ không đồng bộ.

Nhiều giải thuật điều khiển động cơ không đồng bộ đã đƣợc nghiên cƣ́u và ƣ́ng dụng rộng rãi trong lĩ n h vƣ̣c truyền động điện nhƣ phƣơng pháp momen trƣ̣c tiếp , phƣơng pháp điều khiển phi tuyến , phƣơng pháp đị nh hƣớng trƣờng , phƣơng pháp điều khiển vector không gian ,…Trong đó, phƣơng pháp sƣ̉ dụng mạng neural, fuzzy logic kết hợp với các phƣơng pháp điều khiển thông thƣờng đang là một hƣớng nghiên cƣ́u đầy tiềm năng trong điều khiển máy điện không đồng bộ. Với mong muốn tì m hiểu sâu về lĩ nh vƣ̣c truyền động điện xoay chiều. Chính vì vậy đề tài “ Điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai” đƣợc thực hiện.2 Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, phƣơng pháp DTC cũng là một lựa chọn mới trong các kỹ thuật điều khiển ĐC KĐB với những ƣu điểm sau: - Đơn giản, không cần đến các khối chuyển đổi tƣơng quan. - Tính linh hoạt cao - Khả năng điều khiển bền bỉ và chính xác 2 - Không cần phải sử dụng các cảm biến đo từ thông trực tiếp - Không phụ thuộc nhiều vào thông số động cơ - Khả năng bám tốc độ đặt cao, ngay cả khi tải thay đổi  Ƣu điểm của phƣơng pháp DTC so với phƣơng pháp V/F - Tốc độ động cơ bám tốt do momen điện từ của động cơ đƣợc điều khiển trực tiếp - Đáp ứng tốc độ vẫn đảm bảo trong các điều kiện tải thay đổi hoặc thông số động cơ thay đổi trong quá trình làm việc.

- Cho đáp ứng nhanh, chất lƣợng truyền động tốt, hiệu suất cao. - Từ thông của động cơ luôn đƣợc giữ tối ƣu  Ƣu điểm của phƣơng pháp DTC so với phƣơng pháp FOC - Ít phụ thuộc vào thông số động cơ - Không cần phải sử dụng các khối chuyển đổi tƣơng quan - Cho đáp ứng momen nhanh hơn  Tuy nhiên, trong hƣớng nghiên cứu đề tài này kết hợp phƣơng pháp DTC với bộ điều khiển PI mờ lai nhằm cải thiện chất lƣợng hệ thống khi hoạt động tốc độ thấp cũng nhƣ thay đổi momen yêu cầu.2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Mục tiêu của đề tài Đề tài này tập trung nghiên cứu bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC nhằm cho thấy sự thích nghi tốt của bộ điều khiển mờ lai trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. Việc thiết kế sẽ đƣợc mô phỏng trên Matlab/simulink.2 Nội dung nghiên cứu - Các phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha. - Đặc tính của máy điện không đồng bộ.

- Xây dựng mô hình máy điện động cơ KĐB. - Xây dựng phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen động cơ KĐB. - Xây dựng bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo phƣơng pháp DTC. - Xây dựng bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo phƣơng pháp DTC.3 Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp tham khảo tài liệu: Bằng cách thu thập thông tin từ các tài liệu, bài báo liên quan, và truy cập mạng internet.

- Phƣơng pháp quan sát: Khảo sát một số mô hình mô phỏng thực tế đang có từ các luận văn trƣớc và các bài báo trên mạng internet, từ đó mô phỏng lại bằng phần mềm Matlab/simulink để so sánh với kết quả đã có nhằm rút ra những kinh nghiệm trong việc mô phỏng. - Phƣơng pháp mô phỏng: Phần nghiên cứu đƣợc kiểm chứng bằng việc thực hiện mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Matlab/simulink.3 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu tổng quan về phƣơng pháp điều khiển DTC - Kỹ thuật DTC điều khiển ĐC KĐB 3 pha đƣợc đƣa ra đầu tiên bởi Takahashi vào 1986 và đƣợc xem nhƣ là giải thuật điều khiển động cơ cho đáp ứng momen nhanh và hiệu suất điều khiển cao. Kỹ thuật này cho phép điều khiển độc lập và cùng lúc từ thông động cơ và momen điện từ. 4 - Nếu từ thông stator đƣợc chọn là giá trị tham chiếu, giá trị ƣớc lƣợng của từ thông và momen đƣợc tính toán chỉ dựa vào dòng điện và điện áp stator.

Nhƣ vậy điện trở stator là thông số động cơ duy nhất cần đến. Đây chính là yếu tố tạo nên tính ƣu việt cho kỹ thuật DTC. Những năm gần đây, các giải pháp đƣợc đề nghị cho các hệ thống điều khiển trực tiếp momen đƣợc cải tiến nhƣ sau: - Sử dụng các bảng đóng cắt cải tiến. - Sử dụng các bộ so sánh trễ hoặc không có trễ, hai ba bậc.

- Ứng dụng các sơ đồ DTC với tần số đóng ngắt không đổi, vận hành với kỹ thuật PWM hoặc điều chế véctơ không gian. - Ứng dụng kỹ thuật điều khiển mờ hoặc mạng nơron mờ. - Sử dụng các bộ ƣớc tính từ thông phức tạp để cải tiến đặc tính ở vận tốc thấp.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu  Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trong thập kỷ qua, có rất nhiều cải tiến trong sơ đồ điều khiển trực tiếp momen cổ điển (Takahashi & Noguchi, 1986) đã đƣợc thực hiện bởi: Romeral L. Novel Direct Torque Control (DTC) Scheme With Fuzzy Adaptive Torque-Ripple Reduction, IEEE Trans.

A scheme of fuzzy direct torque control for induction machine, IEEE Proceedings of the Fourth International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Guangzhou, 18-21 Aug. Sensorless Direct Torque Control of Induction Motor based on Hybrid Space Vector Pulsewidth Modulation to Reduce Ripples and Switching Losses – A Variable Structure Controller Approach, IEEE Power India Conference. 5 Các mục tiêu của những cải tiến là nhằm để cải thiện việc khởi động của động cơ, các hoạt động trong điều kiện quá tải và trong miền tốc độ thấp. Các thay đổi cũng nhằm mục đích để giảm momen và dòng điện hài, giảm mức độ tiếng ồn và để tránh biến điệu tần số bằng cách sử dụng các phƣơng pháp chuyển mạch với tần số đóng cắt không đổi.

Những nhƣợc điểm cơ bản của sơ đồ DTC sử dụng các bộ điều khiển trễ chuyển đổi tần số là xuất hiện dòng và momen gọn sóng. Sự chuyển động của vector từ thông stator trong quá trình thay đổi vòng quay các thanh dẫn tạo các sƣờn dao động đáng kể của momen điện từ. Một vấn đề khác là việc thực hiện các bộ điều khiển trễ đòi hỏi một tần số lấy mẫu cao. Khi một bộ điều khiển trễ đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng một bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) hoạt động hoàn toàn khác với bộ tƣơng tự.

Trong bộ tƣơng tự, hoạt động các giá trị của momen điện từ và độ lớn từ thông stator đƣợc giới hạn trong giải trễ mong muốn. Điều đó có nghĩa, biến tần có thể thay đổi trạng thái mỗi lần độ lớn từ thông hoặc momen đi qua một giới hạn nhất định. Nói cách khác, việc thực hiện kỹ thuật số sử dụng thời gian mẫu cụ thể mà trên đó momen và từ thông đƣợc kiểm tra nằm trong giới hạn mong muốn. Điều đó có nghĩa là momen và từ thông có thể vƣợt ra khỏi giới hạn mong muốn rất thƣờng xuyên cho đến khi thời gian lấy mẫu kế tiếp.

Đối với lý do này, gợn song momen và từ thông không mong muốn xuất hiện. Nhiều nhà nghiên cứu đƣợc định hƣớng kết hợp các nguyên tắc của DTC với một phƣơng pháp tần số đóng cắt không đổi để điều khiển bộ biến tần bằng cách sử dụng điều chế vector không gian. Điều này đòi hỏi tính toán trong các sơ đồ điều khiển vector điện áp tham chiếu mà cần phải có điều chế trong đầu ra bộ biến tần. Vì vậy, điều khiển trực tiếp momen với phƣơng pháp điều chế không gian vector (DTC-SVM) đƣợc áp dụng 6 Koutsogiannis Z.

Direct Torque Control using Space Vector Modulation and dynamic performance of the drive via a Fuzzy logic controller for speed regulation, in: proceedings of EPE. Ngoài ra, DTC-SVM có thể đƣợc áp dụng bằng cách sử dụng điều khiển momen vòng kín để giảm gợn sóng momen. Rất nhiều bài báo nói về điều khiển tốc độ của truyền động điện, trong đó sử dụng các chiến lƣợc khác nhau dựa trên trí tuệ nhân tạo nhƣ mạng lƣới thần kinh nhân tạo và bộ điều khiển logic mờ đã trình bày. Đối với các bộ điều khiển tốc độ PI mờ có khả năng loại bỏ nhiễu và bền vững đƣợc chứng minh: Gadoue S.

Artificial intelligence-based speed control of DTC induction motor drives-A comparative study, J. Electric Power Syst.  Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Những năm gần đây, hƣớng nghiên cứu điện tử công suất ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ KĐB, trong đó kết hợp phƣơng pháp DTC và biến tần ma trận đang đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm. Có nhiều nhiều công trình công bố những kết quả nghiên cứu về lý thuyết cũng nhƣ thực nghiệm.

Một số công trình đáng chú ý do nhóm tác giả trong nƣớc nhƣ: Direct torque control for matrix converter fed three-phase induction motor using an artificial neural network model. Phan Quốc Dũng, Lê Minh Phương, Nguyễn Hoàng Vũ. Direct torque control for matrix converter fed induction motor drive using fuzzy logic controller.Nguyễn Phương Duy, Huỳnh Trung Nam, Huỳnh Thái Hoàng, Nguyễn Văn Nhờ. Direct torque control of induction motor drive fed by three-level NPC inverter with common mode voltage elimination.Phan Thành Minh, Nguyễn Văn Nhờ Tuy nhiên, các nghiên cứu trên hầu hết chỉ dừng ở mức đƣa ra giải thuật hoặc mô phỏng với Matlab/Simulink.

Rất ít nghiên cứu đề cập đến kết quả thực nghiệm. 7 Đề tài này luận văn này sẽ đƣa ra các giải thuật của bộ điều khiển PI mờ lai cho vòng hồi tiếp tốc độ ứng dụng vào phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen động cơ KĐB 3 pha. Tất cả lý thuyết, kết quả mô phỏng sẽ đƣợc trình bày trong phần sau.