Đặt vấn đề Trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền động điện đóng góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Vì vậy các hệ truyền động luôn được quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng, để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức độ tự động hóa cao. Nhận thấy rằng cấu trúc truyền động xoay chiều không đồng bộ bao gồm động cơ quay máy sản xuất được nối qua khớp nối cứng hay khớp nối mềm, thiết bị biến đổi năng lượng, các thiết bị đo lường, bộ điều chỉnh được quan tâm nhiều. Trong đó điều khiển tốc độ cho truyền động động cơ KĐB với phụ tải có khớp nối mềm đã và đang trở thành sự lựa chọn thú vị và quan tâm đặc biệt trong vấn đề điều khiển.
Bởi vì đối với mô hình động học động cơ KĐB là hệ đa biến, có tính phi tuyến và xen kênh, điện trở rotor thay đổi theo nhiệt độ trong quá trình vận hành làm ảnh hưởng đến mô hình động học của hệ thống [1], [2], [3] và [4]. Hay trong điều khiển tốc độ động cơ thì các biến tần công nghiệp thường điều khiển hệ truyền động động cơ KĐB với cấu trúc FOC đều có mạch vòng dòng stator, tốc độ là bộ điều khiển tuyến tính PI. Bộ điều chỉnh PI chỉ làm việc tốt khi mô-men tải không thay đổi, hay không yêu cầu cao về chất lượng điều khiển như độ chính xác…., vì vậy cần thiết kế điều khiển phi tuyến cho các mạch vòng điều chỉnh. Bên cạnh đó vấn đề không cứng vững của khớp nối động cơ với phụ tải, khác nhau giữa tốc độ cũng như vị trí của tải và động cơ làm xuất hiện mô-men xoắn trên các trục, làm xuất hiện dao động cộng hưởng cơ học trong quá trình hoạt động, gây ra giảm chất lượng truyền động [55], [64] và [70].
Chính các yếu tố thử thách này làm cho điều khiển hệ truyền động động cơ KĐB ghép với tải qua khớp đặc thù (khớp nối cứng, khớp nối mềm) trở thành sự lựa chọn thú vị và quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học. Trong những năm gần đây thường gặp các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động KĐB như V/f, DTC, FOC trong nghiên cứu lý thuyết hay thực tiễn. Mỗi phương pháp điều khiển đều có đặc điểm riêng để người thiết kế lựa chọn phương pháp điều khiển, sao cho đáp ứng đúng với yêu cầu công nghệ [52]. Trong đó phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor hay còn goi là FOC được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, bởi vì FOC điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha như động cơ MCKTĐ, có cấu trúc phân tầng điều khiển với vòng trong điều khiển mô-men và vòng ngoài điều khiển tốc độ.
Với bài toán điều chỉnh các mạch vòng đảm bảo chất lượng truyền động điện, thì các phương pháp thiết kế điều khiển tuyến tính và phi tuyến đã và đang áp dụng thiết kế phổ biến cho hệ truyền động KĐB. Trong đó bộ điều 14 luan an chỉnh tuyến tính PI thường được sử dụng hiện nay sẽ có những nhược điểm là chỉ đạt hiệu quả tốt nhất ở quanh điểm làm việc cân bằng mà khi thiết kế lựa chọn. Như vậy khi vùng làm việc rộng, chế độ động khắc nghiệt (tải thay đổi mạnh hoặc có dạng xung) thì chắc chắn đáp ứng động học, chất lượng truyền động điện sẽ bị suy giảm [5]. Gần đây các phương pháp phi tuyến được quan tâm áp dụng, bởi vì các hạn chế về khối lượng và thời gian tính toán đã được sự phát triển mạnh mẽ về phần cứng (các vi điều khiển, DSP, FPGA) dỡ bỏ.
Các bộ điều chỉnh phi tuyến sẽ đảm bảo tính ổn định của hệ thống không phụ thuộc vào điểm làm việc, về chất lượng như sai lệch bám có thể được giảm thiểu nhờ kết hợp với các bộ điều chỉnh PI tuyến tính với những quỹ đạo trạng thái được thiết kế một cách phù hợp [1], [2] và [75]. Tuy có nhiều công trình nghiên cứu về thiết kế điều khiển tuyến tính, phi tuyến cho mạch dòng stator, tốc độ và từ thông, nhưng chưa vận dụng bộ tiêu chí đánh giá chất lượng hệ truyền động KĐB phải phù hợp với yêu cầu điều khiển mô-men, tốc độ. Bên cạnh đó nhận thấy chưa có một công trình nào đánh giá và so sánh các phương pháp điều khiển này, để chỉ ra ứng dụng cho phù hợp. Chính nhận thức này luận án tập trung nghiên cứu tổng hợp, đánh giá và hoàn thiện hệ điều khiển truyền động KĐB làm việc theo nguyên lý tựa từ thông rotor, ứng dụng các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến thiết kế cho các mạch vòng điều chỉnh, đánh giá hiệu qủa các bộ điều khiển đến chất lượng hệ truyền động, từ đó đưa ra cấu trúc phù hợp điều khiển cho truyền động động cơ KĐB ghép với tải qua khớp nối mềm.
Để đạt được mục đích nghiên cứu đầu tiên phải tổng quát các phương pháp, cấu trúc điều khiển và đánh giá những vấn đề còn tồn tại, từ đó đưa ra đề xuất giải pháp hoàn thiện mạch vòng dòng stator, tốc độ và đề xuất cấu trúc điều khiển phù hợp cho truyền động động cơ KĐB ghép với tải qua khớp nối mềm, khi kết hợp hai mạch vòng điều khiển (mô-men và tốc độ). Kết quả nghiên cứu tính đúng đắn của lý thuyết được minh chứng qua mô phỏng off- line, thời gian thực HIL và thực nghiệm.2 Tổng quan về điều khiển hệ truyền động KĐB 1.1 Tổng quan các phương pháp điều khiển hệ truyền động KĐB Các phương pháp điều khiển hệ truyền động KĐB được hệ thống hóa như Hình 1.1 nhận thấy hệ truyền động không đồng bộ có thể là hệ scalar, dựa trên các đặc tính của quá trình xác lập nên gặp khó khăn khi đảm bảo các các quá trình động học [8] và [9]. Hệ điều khiển vector, dựa trên các quá trình tức thời theo thời gian nên có thể kiểm soát hiệu quả các quá trình động học phức tạp. Hệ điều khiển vector có thể là hệ điều khiển trực tiếp mô men (DTC) được thực hiện bằng cách tác động trực tiếp vector us thông qua việc đóng cắt các van IGBT của nghịch lưu cấp điện cho động cơ, tuy nhiên điều khiển DTC gặp phải một số khó khăn như cơ sở lý luận trong việc lựa chọn bằng đóng cắt, mô-men và từ thông đập mạch (đặc biệt vùng tốc độ thấp), tần số chuyển mạch các van liên tục thay đổi và nghịch lưu đòi hỏi sử dụng các van có tần số đóng cắt lớn [6].
Thực tế trên thế giới cũng xuất hiện những nghiên cứu khắc phục những vấn đề nêu trên [7]. 15 luan an Các phương pháp điều khiển hệ truyền động động cơ KĐB Điều khiển Điều khiển Scalar Vector Điều khiển Điều khiển V/f Điều Điều khiển tựatừtừ khiển tựa trực tiếp thông rotor (FOC) thông (FOC) mô-men (DTC) Tựa từ thông Tựa từ thông rotor stator Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển hệ truyền động động cơ KĐB Với hệ truyền động điều khiển vector làm việc theo nguyên lý tựa từ thông rotor (FOC), là nguyên lý điều khiển vật lý được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống truyền động XC3P hiện đại. Đến nay, truyền động XC3P với nguyên lý nền tảng là FOC đã đạt đến mức độ gần như hoàn thiện. Về mặt nghiên cứu lý thuyết, nguyên lý này tạo ra một công cụ cho phép nhìn nhận các động cơ XC3P có cùng bản chất vật lí (tạo từ thông và mô-men quay) với động cơ MCKTĐL, nhờ vậy kế thừa được các thành tựu của truyền động điện một chiều [1], [3], [5], [8] và [78].
Có thể nói FOC vẽ ra một bức tranh tổng quan về mặt cấu trúc phân tầng điều khiển khi tiếp cận với một hệ truyền động, chuyển động sử dụng máy điện xoay chiều ba pha. Trên cơ sở đó, người thiết kế tương đối thoải mái trong việc lựa chọn một luật điều khiển chi tiết để giải quyết bài toán bám cho từng mạch vòng. Cấu trúc FOC phù hợp với bản chất vật lý của máy điện, trong khi các phương pháp điều khiển đảm bảo sự ổn định cho hệ thống về mặt toán học. Sự kết hợp đó giúp cho FOC sở hữu ưu thế vượt trội so với các phương pháp khác về chất lượng điều khiển, rõ nét nhất là chỉ tiêu sóng hài trong mô-men quay.
Trên thực tế phương pháp điều khiển FOC là đạt được tỷ trọng đáng kể trong các sản phẩm thương mại, đặc biệt là trong truyền động điện servo [1] và [4]. Với tính hiệu quả và linh hoạt như vậy, FOC dành được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu lý thuyết cũng như người làm ứng dụng. 16 luan an Cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor - FOC như Hình 1.2 Inverter usd usα tu PI usβ tv - usq tw PI SVM - MHTT isd isα isu 3 và ước isq isβ 2 isv lượng isw tải IM Đo tốc độ IE Hình 1.2 Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor (FOC) Hình 1.2 thể hiện cấu trúc điều khiển phân tầng đã khá quen thuộc cho ĐCKĐB-RLS. Ở đó, 2 thành phần dòng điện stator (là những đối tượng có động học nhanh) được điều chỉnh ở vòng trong cùng, các đại lượng tốc độ quay và từ thông rotor có động học chậm hơn được điều chỉnh ở vòng bên ngoài.
Bộ điều khiển dòng stator cũng như trường hợp ĐCMCKTĐL phải đảm bảo yêu cầu nhanh và chính xác. Ngoài ra, đối với động cơ XC3P do có sự tương tác giữa 2 thành phần dòng điện cần phải bổ sung thêm yêu cầu tách kênh để loại bỏ sự tương tác này. Bên cạnh đó phương pháp điều khiển FOC có dải biên tần mô-men nhỏ, độ bền vững truyền động tốt hơn so với DTC, nhưng đáp ứng động học chậm hơn so với DTC [52]. Qua nhận định trên, luận án “sẽ tập trung nghiên cứu nghiên cứu tổng hợp, thiết kế các cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor (FOC) cho truyền động động cơ KĐB ghép với tải qua khớp nối điển hình”.2 Tổng quan các phương pháp điểu khiển mạch vòng điều chỉnh Một hệ truyền động động cơ KĐB điều khiển FOC được điều khiển phần tầng như vòng trong là điều khiển mô-men (dòng stator); vòng ngoài bao gồm từ thông, tốc độ và vị trí.
Để các bộ ĐK này đảm bảo đúng yêu cầu nhanh, chính xác và tính bền vững hệ thống tốt, thì trong nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn thường hay sử dụng các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến trong thiết kế các bộ điều chỉnh. Vì vậy ta có hệ thống hóa các phương pháp ĐK tuyến tính, phi tuyến, dự báo.điều khiển các mạch vòng điều chỉnh được thể hiện qua Hình 1.