Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong lĩnh vực truyền động điện xoay chiều công suất lớn và đòi hỏi độ tin cậy cao, động cơ không đồng bộ sáu pha bất đối xứng (SPIM) với hai bộ dây ba pha đặt lệch nhau $30^\circ$ điện, điểm trung tính cách ly ngày càng được quan tâm nghiên cứu nhằm thay thế các hệ truyền động ba pha truyền thống. Hệ truyền động SPIM sở hữu các đặc tính kỹ thuật vượt trội như giảm ứng suất dòng điện trên mỗi pha và mỗi nhánh van biến tần, giảm biên độ và tăng tần số xung động mô men, triệt tiêu sóng hài bậc 6 của mô men, giảm sóng hài dòng rotor, giảm tổn thất đồng stator và duy trì khả năng làm việc liên tục khi gặp sự cố mất một hoặc nhiều pha.

Tuy nhiên, hệ truyền động SPIM phải đối mặt với các vấn đề điều khiển phức tạp do bản chất phi tuyến mạnh, cấu trúc ghép kênh đa biến, sự gia tăng số lượng pha, tính không chắc chắn của tham số máy điện (đặc biệt là điện trở stator $R_s$ và điện trở rotor $R_r$ biến thiên theo nhiệt độ) và sự xuất hiện của nhiễu tải bên ngoài. Các giải pháp điều khiển truyền thống dựa trên bộ điều khiển PI tuyến tính trong cấu trúc tựa theo từ thông rotor gián tiếp (IFOC) không đáp ứng được yêu cầu chất lượng trong toàn dải vận hành, nhất là vùng tốc độ thấp.

Bên cạnh đó, việc trang bị cảm biến tốc độ cơ học gắn trên trục động cơ làm tăng chi phí, kích thước, khối lượng và làm giảm độ tin cậy của toàn hệ thống trong môi trường khắc nghiệt. Các kỹ thuật điều khiển không cảm biến tốc độ dựa trên hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu (MRAS) kinh điển gặp phải nhiều rào cản nghiêm trọng tại vùng tốc độ thấp và gần bằng không do hiện tượng trôi dạt một chiều của khâu tích phân thuần túy, độ nhạy cao với sự biến thiên tham số máy điện, suy giảm biên độ tín hiệu đo và tính chất phi tuyến của bộ biến tần nguồn áp. Đồng thời, các phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) thông thường cho biến tần nguồn áp sáu pha (SPVSI) tạo ra xung điện áp common mode (CMV) biên độ cao, dẫn đến dòng điện nhiễu điện từ (EMI) và dòng phóng điện ăn mòn bề mặt ổ bi động cơ.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định bao gồm:

  • Thiếu một cấu trúc điều khiển phi tuyến kết hợp có khả năng vừa triệt tiêu sai số bám quỹ đạo ở vòng ngoài, vừa đảm bảo tính ổn định tiệm cận và kháng biến thiên tham số máy điện ở vòng dòng điện bên trong.
  • Thiếu một giải thuật quan sát tốc độ thích nghi khắc phục triệt để vấn đề tích phân thuần túy, giảm tải tính toán của mạng nơ-ron phi tuyến, đồng thời nhận dạng và cập nhật trực tuyến điện trở stator và từ thông rotor ở dải tần số làm việc thấp.
  • Thiếu một kỹ thuật điều chế sóng mang đơn giản, khối lượng tính toán thấp để giảm điện áp common mode của biến tần nguồn áp sáu pha xuống mức tối thiểu mà không cần bổ sung mạch phần cứng lọc phức tạp.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là xây dựng hệ thống điều khiển thích nghi cho điều khiển vector không cảm biến của hệ truyền động SPIM dựa trên điều khiển phi tuyến và điều khiển thông minh nhằm nâng cao chất lượng điều khiển của hệ truyền động SPIM và khả năng ứng dụng thực tiễn của hệ truyền động này; đồng thời phát triển giải thuật điều chế độ rộng xung sóng mang (CBPWM) giảm điện áp common mode cho SPIM.

Các mục tiêu cụ thể được đánh số theo văn bản luận án gồm:

  1. Xây dựng bộ quan sát tốc độ thích nghi cho điều khiển vector không cảm biến hệ truyền động SPIM, trong đó ứng dụng điều khiển thích nghi, điều khiển thông minh và điều khiển trượt nhằm nâng cao chất lượng điều khiển của hệ truyền động.
  2. Xây dựng cấu trúc điều khiển phi tuyến mới nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động SPIM.
  3. Xây dựng kỹ thuật điều chế độ rộng xung giảm điện áp common mode cho biến tần nguồn áp sáu pha (SPVSI).
  4. Xây dựng các mô hình mô phỏng và thực hiện các mô phỏng khảo sát cấu trúc điều khiển, quan sát tốc độ và giải thuật giảm common mode mới trên phần mềm Matlab/Simulink.
  5. Đánh giá chất lượng và tính hiệu quả của hệ truyền động SPIM đề xuất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ không đồng bộ sáu pha rotor lồng sóc bất đối xứng với hai bộ dây ba pha đặt lệch nhau $30^\circ$ điện, trung tính cách ly (SPIM); các kỹ thuật điều khiển phi tuyến, điều khiển thông minh, kỹ thuật ước lượng tốc độ, kỹ thuật điều chế độ rộng xung và giải thuật giảm điện áp common mode.
  • Phạm vi nội dung:
    • Mô hình toán học của SPIM và hệ truyền động SPIM trên các hệ trục tọa độ cố định $\alpha\beta$, không gian con $xy$, $z_1z_2$ và hệ tọa độ quay đồng bộ $dq$.
    • Kỹ thuật điều khiển tựa theo từ thông rotor gián tiếp (IFOC) cho hệ truyền động SPIM.
    • Các kỹ thuật ước lượng không cảm biến dựa vào mô hình tham chiếu dòng stator (SC_MRAS).
    • Ứng dụng kỹ thuật điều khiển phi tuyến Backstepping (BS) và điều khiển cổng Hamiltonia (PCH) trong điều khiển vector hệ truyền động SPIM.
    • Ứng dụng điều khiển thích nghi, mạng nơ-ron nhân tạo (ADALINE với giải thuật LS), điều khiển mô hình trượt (SM) trong nhận dạng từ thông và ước lượng trực tuyến tham số điện trở stator.
  • Phạm vi ứng dụng: Ứng dụng cấu trúc điều khiển và quan sát đề xuất cho hệ thống đẩy của xe điện (EV) được kiểm chứng qua mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink theo các chu kỳ lái tiêu chuẩn.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước trong tài liệu

Luận án tiến hành tổng thuật các công trình nghiên cứu liên quan đến hệ truyền động nhiều pha, các cấu trúc điều khiển vector và kỹ thuật ước lượng không cảm biến:

Hướng nghiên cứu Công trình / Tác giả trích dẫn Nội dung và kết quả chính được điểm lại
Đặc tính và mô hình hóa động cơ nhiều pha Singh (2002) [1], Levi và cộng sự (2007, 2008) [2, 10], Zhao và Lipo (1995) [17] Phân tích ưu điểm giảm dòng pha, giảm sóng hài mô men; xây dựng phương pháp phân rã không gian vector (VSD) tách không gian 6 chiều thành 3 không gian con $(\alpha\beta)$, $(xy)$, $(z_1z_2)$.
Ứng dụng công nghiệp của hệ truyền động SPIM Abbas và cộng sự (1984) [21], Bojoi và cộng sự (2006) [22], Tenconi và cộng sự (2001) [23, 24] Ứng dụng điều khiển vector SPIM 850 kW trong nhà máy nhựa; hệ thống SPIM 570 kW dùng hai biến tần song song; hệ thống kéo đầu máy xe lửa Adtranz SPIM FS E464 đường sắt Ý.
Mất cân bằng dòng giữa các bộ dây Hadiouche và cộng sự (2006) [26], Karttunen và cộng sự (2014) [27], Jones và cộng sự (2009) [28] Phân tích hiện tượng mất đối xứng dòng điện trong không gian con $(xy)$ do sai lệch tham số hoặc nguồn áp và các giải pháp cân bằng dòng.
Điện áp Common Mode (CMV) và PWM Grandi và cộng sự (2007) [20], Duran và cộng sự (2012) [29], Levi và cộng sự (2013) [30], Bai và cộng sự (2010) [31] Tác hại của xung CMV gây dòng EMI và phá hủy ổ bi động cơ; các kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM) và sóng mang nhằm giảm thiểu CMV cho biến tần nhiều pha.
Điều khiển phi tuyến cho SPIM Chiasson (1998) [35], Wai và Liu (2004) [38], Lin và cộng sự (2006) [41], Wang và cộng sự (2014) [52], Ortega và cộng sự (2002) [83] Ứng dụng tuyến tính hóa hồi tiếp, điều khiển trượt (SM), điều khiển Backstepping (BS) và điều khiển thụ động cổng Hamiltonia (PCH) định hình năng lượng nhằm thay thế bộ điều khiển PI.
Ước lượng không cảm biến tốc độ & MRAS Vas (1998) [55], Holtz (2002, 2006) [63, 86], Schauder (1992) [70], Bose (2002) [88] Phân loại ước lượng dựa trên phân tích phổ tiêm tín hiệu cao tần và dựa trên mô hình (MRAS, EKF, Luenberger); phân tích hiện tượng trôi dạt tích phân thuần túy và độ nhạy biến thiên $R_s$.
Xử lý tích phân thuần túy và ứng dụng AI Hu và Wu (1998) [87], Shin và cộng sự (2000) [93], Bose và Patel (1997) [88], Simoes và Bose (1995) [91], Cirrincione và cộng sự (2004) [97] Đề xuất bộ lọc thông thấp (LPF), mạch tích phân xếp tầng (Cascaded PCLPF), tích phân phản hồi phi tuyến; ứng dụng mạng nơ-ron (BPN, Adaline) trong ước lượng tốc độ.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Từ việc phân tích các hạn chế của tài liệu đi trước, luận án tập trung giải quyết các khoảng trống:

  1. Bộ điều khiển Backstepping độc lập nhạy cảm với biến thiên tham số, trong khi điều khiển mô hình trượt gây dao động mặt trượt (chattering). Luận án lựa chọn kết hợp điều khiển Backstepping cải tiến (bổ sung thành phần tích phân sai số bám) cho vòng tốc độ/từ thông và điều khiển định hình năng lượng PCH cho vòng dòng điện nhằm đảm bảo tính ổn định tiệm cận toàn cục và kháng nhiễu.
  2. Các bộ quan sát MRAS từ thông rotor (RF_MRAS) phụ thuộc vào khâu tích phân thuần túy gây trôi dạt DC, và việc dùng mạng truyền ngược phi tuyến (BPN) đòi hỏi khối lượng tính toán lớn. Luận án lựa chọn xây dựng bộ quan sát dựa trên mô hình dòng stator (SC_MRAS) kết hợp mạng nơ-ron Adaline huấn luyện bằng thuật toán bình phương cực tiểu (LS) làm việc ở chế độ dự báo, tích hợp bộ nhận dạng từ thông và $R_s$ bằng mô hình trượt (SM).
  3. Các giải pháp giảm CMV bằng phần cứng gây tốn kém, trong khi kỹ thuật SVPWM giảm CMV phức tạp. Luận án lựa chọn giải pháp điều chế sóng mang RCMV 4S-CBPWM đơn giản, tối ưu trị trung bình CMV.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết, khái niệm và khung phân tích

  • Lý thuyết phân rã không gian vector (VSD): Biến đổi hệ thống sáu chiều ban đầu thành ba không gian con trực giao 2 chiều bằng ma trận $T_6$: $$\begin{bmatrix} v_{s\alpha} \ v_{s\beta} \ v_{sx} \ v_{sy} \ v_{sz1} \ v_{sz2} \end{bmatrix} = T_6 \begin{bmatrix} v_{sa} \ v_{sb} \ v_{sc} \ v_{sA} \ v_{sB} \ v_{sC} \end{bmatrix}, \quad T_6 = \frac{1}{3} \begin{bmatrix} 1 & -\frac{1}{2} & -\frac{1}{2} & \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} & 0 \ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & -1 \ 1 & -\frac{1}{2} & -\frac{1}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} & \frac{\sqrt{3}}{2} & 0 \ 0 & -\frac{\sqrt{3}}{2} & \frac{\sqrt{3}}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & -1 \ 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 \end{bmatrix}$$ Quá trình biến đổi năng lượng điện cơ chỉ diễn ra trong không gian con $(\alpha\beta)$ (chứa sóng hài bậc $12n \pm 1$). Không gian con $(xy)$ (chứa sóng hài bậc $6n \pm 1$) chỉ tạo ra tổn thất, và không gian con $(z_1z_2)$ triệt tiêu do trung tính cách ly.
  • Khung phân tích điều khiển tựa theo từ thông rotor gián tiếp (IFOC): Đặt trục $d$ trùng với vector từ thông rotor, thỏa mãn điều kiện $\psi_{rq} = 0$ và $\psi_r = \psi_{rd}$, cho phép điều khiển độc lập từ thông qua thành phần dòng $i_{sd}$ và mô men qua thành phần dòng $i_{sq}$.
  • Lý thuyết ổn định Lyapunov: Sử dụng các hàm thế năng Lyapunov $V$ xác định dương để tổng hợp luật điều khiển Backstepping có tích phân sai số và luật thích nghi cho bộ quan sát mô hình trượt, đảm bảo đạo hàm $\dot{V} \le 0$.
  • Lý thuyết điều khiển cổng Hamiltonia (PCH): Dựa trên phương pháp định hình năng lượng, bổ sung ma trận kết nối tương hỗ $J(x)$ và ma trận tắt dần $R(x)$ để hệ thống ổn định tiệm cận tại điểm làm việc mong muốn.
  • Mạng nơ-ron ADALINE và thuật toán bình phương cực tiểu (LS): Sử dụng cấu trúc nơ-ron tuyến tính hai lớp, cập nhật trọng số trực tuyến theo giải thuật LS ở chế độ dự báo.
  • Tích phân Euler sửa đổi (Modified Euler Integration): Bổ sung biến trạng thái đầu vào nhằm ổn định quá trình rời rạc hóa phương trình trạng thái động cơ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp mô hình hóa giải tích: Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả động học SPIM trên hệ tọa độ tĩnh và hệ tọa độ quay $dq$; xây dựng biểu thức toán học xác định điện áp common mode, hàm offset và tín hiệu sóng mang điều chế.
  • Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển và bộ quan sát: Thiết kế cấu trúc phi tuyến kết hợp BS_PCH và bộ quan sát NNSM_SC_MRAS dựa trên phân tích toán học giải tích.
  • Phương pháp mô phỏng số kiểm chứng: Sử dụng công cụ MATLAB/Simulink để xây dựng toàn bộ mô hình truyền động, biến tần SPVSI, các bộ điều khiển, bộ quan sát trạng thái và mô hình động lực học hệ thống đẩy xe điện (EV).

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Phương trình toán học và thông số danh định của SPIM bất đối xứng (điện áp, dòng điện, điện trở $R_s, R_r$, điện cảm $L_s, L_r, L_m$, mô men quán tính $J$, số cặp cực $P$).
  • Chu kỳ thử nghiệm lái tiêu chuẩn Châu Âu ECE-40 đã sửa đổi và mẫu chu trình thử nghiệm đường dốc, biến thiên tải thực tế theo tài liệu chuyên ngành [150].

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mô hình toán của SPIM và các kỹ thuật điều khiển vector không gian hệ truyền động không cảm biến SPIM

Chương 1 thiết lập nền tảng toán học cho động cơ không đồng bộ sáu pha bất đối xứng và phân tích tổng quan các cấu trúc điều khiển, ước lượng hiện hành:

  • Mô hình toán học trên không gian trạng thái: Thiết lập mô hình động cơ trên 3 không gian con trực giao $(\alpha\beta)$, $(xy)$ và $(z_1z_2)$ từ ma trận chuyển đổi $T_6$, sau đó chuyển đổi sang hệ tọa độ quay đồng bộ $dq$ qua ma trận $T_2$ với góc lệch $\delta_r$: $$\begin{cases} L_s \frac{di_{sd}}{dt} = -a i_{sd} + L_s \omega_e i_{sq} + b R_r \psi_{rd} + c u_{sd} \ L_s \frac{di_{sq}}{dt} = -a i_{sq} - L_s \omega_e i_{sd} - b \omega_r \psi_{rd} + c u_{sq} \ \frac{d\omega_r}{dt} = \frac{3}{2} \frac{P}{J} \delta \sigma L_s (\psi_{rd} i_{sq}) - \frac{T_L}{J} - \frac{B}{J}\omega_r \ \frac{d\psi_{rd}}{dt} = \frac{L_m}{\tau_r} i_{sd} - \frac{1}{\tau_r} \psi_{rd} \end{cases}$$ Trong đó các hệ số được xác định: $\sigma = 1 - \frac{L_m^2}{L_s L_r}$, $\delta = \frac{L_m}{\sigma L_s L_r}$, $a = \frac{L_m^2 R_r + L_r^2 R_s}{\sigma L_r^2}$, $b = \frac{L_m}{\sigma L_r^2}$, $c = \frac{1}{\sigma}$, $\tau_r = \frac{L_r}{R_r}$.
  • Phương trình mô men điện từ và phương trình chuyển động: $$T_e = \frac{3}{2} P \frac{L_m}{L_r} \psi_{rd} i_{sq}, \quad T_e = T_L + B\omega_r + J \frac{d\omega_r}{dt}$$
  • Đánh giá các kỹ thuật điều khiển vector và ước lượng: Phân tích cấu trúc IFOC, DFOC, DTC; chỉ ra hạn chế của bộ điều khiển PI khi có biến thiên tham số; phân tích nguyên lý ước lượng vòng hở, vòng kín (MRAS, EKF, Luenberger, phân tích phổ tiêm tần số cao) và các hạn chế tại vùng tốc độ thấp do trôi dạt tích phân thuần túy và biến thiên $R_s$.

Chương 2: Kỹ thuật giảm điện áp common mode cho biến tần nguồn áp sáu pha

Chương 2 giải quyết vấn đề triệt tiêu xung điện áp common mode cho biến tần nguồn áp sáu pha (SPVSI):

  • Cơ chế sinh điện áp Common Mode: Điện áp CMV của bộ nghịch lưu (BNL) ba pha được xác định bởi: $$V_{com} = \frac{v_{aN} + v_{bN} + v_{cN}}{3} - \frac{V_d}{2} = \frac{V_d}{3}(s_a + s_b + s_c) - \frac{V_d}{2}$$ Các trạng thái vector không $(000)$ và $(111)$ tạo ra xung CMV cực đại bằng $\pm V_d/2$.
  • Kỹ thuật điều chế RCMV 4S-CBPWM: Đề xuất kỹ thuật điều chế sóng mang sử dụng 4 vector trạng thái tích cực (Four-State) loại bỏ hoàn toàn các vector không, thay thế bằng các cặp vector tích cực đối xứng. Kỹ thuật được áp dụng độc lập cho hai bộ nghịch lưu (BNL I và BNL II) với hai giải thuật xác định hàm offset:
    • Giải thuật RCMV 4S-CBPWM với CMV trung bình $V_{comMid}$.
    • Giải thuật RCMV 4S-CBPWM với CMV tối ưu $V_{comOpt}$.
  • Kết quả khảo sát mô phỏng: So sánh các phương pháp điều chế SIN PD_CBPWM, SIN POD_CBPWM, RCMV 4S-CBPWM $V_{comMid}$ và $V_{comOpt}$. Kết quả khẳng định kỹ thuật RCMV 4S-CBPWM kiểm soát thành công biên độ điện áp common mode trong phạm vi $\pm V_d/6$, giảm thiểu dòng rò EMI và tổn hao đóng ngắt.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      BẢNG TỔNG HỢP SO SÁNH CÁC KỸ THUẬT PWM                   |
+--------------------------+-----------------------+----------------------------+
| Kỹ thuật PWM             | Biên độ điện áp CMV   | Đặc điểm tính toán / Sóng  |
+--------------------------+-----------------------+----------------------------+
| SIN PD_CBPWM kinh điển   | Lên đến ±Vd/2         | Đơn giản, CMV và EMI cao   |
| SIN POD_CBPWM            | Lên đến ±Vd/2         | Sóng mang lệch pha 180°    |
| RCMV 4S-CBPWM (VcomMid)  | Kiểm soát trong ±Vd/6 | Khối lượng tính toán thấp  |
| RCMV 4S-CBPWM (VcomOpt)  | Kiểm soát trong ±Vd/6 | Tối ưu hóa hàm offset      |
+--------------------------+-----------------------+----------------------------+

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ truyền động SPIM

Chương 3 trình bày cấu trúc điều khiển phi tuyến kết hợp BS_PCH trong hệ thống IFOC:

  • Bộ điều khiển tốc độ và từ thông vòng ngoài (BS cải tiến): Thiết kế dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov, bổ sung thành phần tích phân sai số bám (integral tracking error action) nhằm triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập tốc độ và tăng tính bền vững trước sự thay đổi của tải.
  • Bộ điều khiển dòng vòng trong (PCH): Thiết kế dựa trên mô hình định hình năng lượng cổng Hamiltonia cho hai trục $d$ và $q$. Bộ điều khiển PCH đưa vào các ma trận phản hồi liên kết và hàm tắt dần phi tuyến, đảm bảo tính ổn định tiệm cận toàn cục mà không cần loại bỏ các thành phần phi tuyến tự nhiên của động cơ.
  • Kết quả mô phỏng: Thực hiện khảo sát hệ thống truyền động trong các chế độ: khởi động, đảo chiều quay, vận hành không tải, vận hành định mức, đột biến mô men tải và trường hợp tham số điện trở rotor thay đổi gấp 3 lần giá trị danh định ($R_r = 3R_{r, danh định}$). Cấu trúc BS_PCH duy trì khả năng bám chính xác tín hiệu đặt, không bị dao động và thời gian đáp ứng quá độ nhanh hơn so với bộ điều khiển PI truyền thống.

Chương 4: Thiết kế bộ quan sát tốc độ thích nghi cho hệ truyền động SPIM không cảm biến tốc độ

Chương 4 thiết kế bộ quan sát trạng thái thích nghi NNSM_SC_MRAS đáp ứng hoạt động ở vùng tốc độ thấp:

  • Mô hình tham chiếu dòng Stator (SC_MRAS): Sử dụng trực tiếp các thành phần dòng điện stator đo được làm mô hình tham chiếu, loại bỏ khâu tích phân thuần túy của điện áp stator, tránh hiện tượng trôi dạt DC.
  • Mô hình thích nghi nơ-ron Adaline (LS Algorithm): Mô hình thích nghi sử dụng mạng nơ-ron hai lớp Adaline tuyến tính, huấn luyện trực tuyến bằng thuật toán bình phương cực tiểu (LS) làm việc ở chế độ dự báo (prediction mode), giúp thuật toán hội tụ nhanh và giảm thiểu khối lượng tính toán so với mạng BPN phi tuyến.
  • Nhận dạng từ thông rotor và ước lượng online điện trở $R_s$ (Mô hình trượt SM): Thiết kế bộ nhận dạng từ thông rotor và khâu ước lượng trực tuyến điện trở stator $R_s$ dựa trên cấu trúc mô hình trượt (SM), các độ lợi trượt được tổng hợp thỏa mãn tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Giá trị $R_s$ ước lượng được cập nhật liên tục cho mô hình thích nghi dòng và bộ điều khiển BS_PCH.
  • Tích phân Euler sửa đổi: Bổ sung thêm 2 biến trạng thái đầu vào trong mô hình thích nghi để triệt tiêu tính mất ổn định sinh ra do quá trình rời rạc hóa phương trình rotor.
  • Kết quả mô phỏng: Hệ thống hoạt động chính xác ở 4 góc phần tư, dải tốc độ rất thấp, tốc độ tham chiếu dạng nấc, dạng tam giác đảo chiều, chế độ động cơ và hãm tái sinh, đồng thời bù trừ chính xác khi điện trở stator $R_s$ thay đổi.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|             CẤU TRÚC BỘ QUAN SÁT TỐC ĐỘ THÍCH NGHI NNSM_SC_MRAS               |
+-----------------------+-----------------------------+-------------------------+
| Khối chức năng        | Phương pháp / Kỹ thuật      | Mục đích kỹ thuật       |
+-----------------------+-----------------------------+-------------------------+
| Mô hình tham chiếu    | Dòng stator đo trực tiếp    | Tránh tích phân thuần   |
| Mô hình thích nghi    | Mạng Adaline + Thuật toán LS| Ước lượng tốc độ online |
| Chế độ hoạt động      | Chế độ dự báo (Prediction)  | Hội tụ nhanh, sai số nhỏ|
| Nhận dạng từ thông ψr | Mô hình trượt (Sliding Mode)| Ổn định theo Lyapunov   |
| Ước lượng điện trở Rs | Mô hình trượt (Sliding Mode)| Cập nhật bù nhiệt online|
| Khâu tích phân số     | Euler điều chỉnh (+2 biến)  | Ổn định rời rạc hóa     |
+-----------------------+-----------------------------+-------------------------+

Chương 5: Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong hệ truyền động của xe điện

Chương 5 ứng dụng toàn bộ cấu trúc điều khiển phi tuyến BS_PCH, bộ quan sát NNSM_SC_MRAS và giải thuật giảm CMV RCMV 4S-CBPWM vào hệ thống đẩy của xe điện (EV):

  • Mô hình hóa hệ thống đẩy EV: Xây dựng mô hình động lực học chuyển động của phương tiện bao gồm lực cản lăn, lực cản không khí, lực cản leo dốc và lực quán tính quy đổi về trục động cơ SPIM.
  • Kịch bản mô phỏng kiểm chứng:
    • Khảo sát theo chu kỳ lái tiêu chuẩn Châu Âu ECE-40 đã sửa đổi cho hệ truyền động SPIM.
    • Khảo sát theo chu trình thử nghiệm đường dốc, biến thiên tải phức tạp dựa trên mẫu kiểm tra trong tài liệu [150].
  • Kết quả và đánh giá: Hệ truyền động đáp ứng chính xác theo chu trình tốc độ yêu cầu của xe điện, sai số ước lượng tốc độ duy trì ở mức rất thấp, đáp ứng dòng điện $i_{sq}$ và mô men điện từ $T_e$ mượt mà, triệt tiêu xung đột biến mô men và kiểm soát điện áp common mode trong phạm vi an toàn $\pm V_d/6$.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và thực tiễn

  1. Xây dựng cấu trúc điều khiển phi tuyến kết hợp BS_PCH cho hệ truyền động SPIM: Kết hợp thành công kỹ thuật Backstepping cải tiến bổ sung thành phần tích phân sai số bám cho vòng ngoài (tốc độ và từ thông) và kỹ thuật điều khiển định hình năng lượng PCH cho vòng dòng điện bên trong. Cấu trúc này nâng cao tính ổn định tiệm cận toàn cục, tăng tốc độ đáp ứng động học và đảm bảo tính bền vững trước sự biến thiên của tham số máy điện và nhiễu tải.
  2. Đề xuất bộ quan sát tốc độ thích nghi cải tiến NNSM_SC_MRAS: Phát triển bộ quan sát dựa trên mô hình tham chiếu dòng stator (SC_MRAS) sử dụng mạng nơ-ron tuyến tính Adaline huấn luyện trực tuyến bằng giải thuật LS làm việc ở chế độ dự báo. Giải pháp này khắc phục nhược điểm của khâu tích phân thuần túy, giảm khối lượng tính toán so với mạng nơ-ron phi tuyến BPN; đồng thời tích hợp khâu nhận dạng từ thông rotor và ước lượng trực tuyến điện trở stator $R_s$ bằng mô hình trượt SM thỏa mãn tiêu chuẩn Lyapunov, kết hợp tích phân Euler sửa đổi nhằm nâng cao độ chính xác ước lượng ở dải tốc độ thấp và rất thấp.
  3. Phát triển kỹ thuật điều chế sóng mang giảm điện áp common mode RCMV 4S-CBPWM: Đề xuất kỹ thuật điều chế sóng mang 4 trạng thái cho biến tần nguồn áp sáu pha (SPVSI), kiểm soát thành công biên độ điện áp common mode trong phạm vi $\pm V_d/6$, giảm thiểu dòng nhiễu điện từ EMI và nguy cơ ăn mòn ổ bi động cơ với thuật toán đơn giản, tính toán nhẹ, dễ mở rộng cho biến tần đa bậc và nhiều pha.
  4. Ứng dụng thành công trong hệ thống đẩy xe điện (EV): Tích hợp hoàn chỉnh hệ truyền động SPIM điều khiển vector không cảm biến vào mô hình động lực học xe điện, chứng minh khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu vận hành theo chu kỳ lái tiêu chuẩn ECE-40 sửa đổi và chu trình địa hình phức tạp.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng cấu trúc điều khiển BS_PCH và bộ quan sát NNSM_SC_MRAS cho các hệ thống truyền động công nghiệp công suất lớn đòi hỏi độ an toàn cao như hệ thống đẩy tàu thủy, đầu máy kéo đường sắt, phương tiện vận tải chạy điện và thiết bị công nghiệp nặng.
  • Sử dụng giải thuật điều chế RCMV 4S-CBPWM trong thiết kế biến tần nguồn áp nhiều pha nhằm cắt giảm chi phí phần cứng cho các bộ lọc common mode thụ động/chủ động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Các kết quả đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển BS_PCH, bộ quan sát NNSM_SC_MRAS và giải thuật RCMV 4S-CBPWM trong luận án được thực hiện chủ yếu thông qua phương pháp mô phỏng số trên môi trường MATLAB/Simulink.
  • Nghiên cứu tập trung vào mô hình động cơ SPIM bất đối xứng hoạt động ở trạng thái cuộn dây bình thường, chưa đi sâu phân tích toàn diện các chế độ vận hành khi xảy ra sự cố đứt pha hoặc hỏng van biến tần trong cùng một cấu trúc điều khiển.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Triển khai xây dựng mô hình thực nghiệm phần cứng sử dụng các bộ xử lý tín hiệu số chuyên dụng (DSP/DSC) để kiểm chứng thực tế giải thuật điều khiển và quan sát đề xuất.
  • Mở rộng kỹ thuật điều chế giảm điện áp common mode RCMV-CBPWM cho các cấu trúc biến tần đa mức nhiều pha (Multi-level Multi-phase Inverters).
  • Nghiên cứu phát triển các thuật toán điều khiển thích nghi chịu lỗi (Fault-Tolerant Control) khi hệ truyền động SPIM bị sự cố mất một hoặc nhiều pha kết hợp với bộ quan sát không cảm biến.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng tham khảo:
    • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện, Điện tử công suất, Kỹ thuật Cơ điện tử và Kỹ thuật Ô tô / Xe điện.
    • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D): Các kỹ sư thiết kế hệ thống truyền động điện xoay chiều nhiều pha, bộ điều khiển biến tần và hệ thống truyền động xe điện.
  • Nội dung giá trị phục vụ tham khảo:
    • Phương pháp luận phân rã không gian vector (VSD) và thiết lập mô hình toán học giải tích cho máy điện nhiều pha (Chương 1).
    • Thuật toán điều chế sóng mang giảm điện áp common mode cho biến tần sáu pha (Chương 2).
    • Quy trình thiết kế bộ điều khiển phi tuyến kết hợp Backstepping và Port-Controlled Hamiltonian định hình năng lượng (Chương 3).
    • Phương pháp xây dựng bộ quan sát trạng thái tốc độ thích nghi nơ-ron - mô hình trượt không dùng tích phân thuần túy ở dải tốc độ thấp (Chương 4).
    • Mô hình mô phỏng tích hợp hệ truyền động điện cho phương tiện giao thông vận tải (Chương 5).

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu trúc điều khiển BS_PCH được phân chia và thiết kế như thế nào trong hệ truyền động SPIM?

Cấu trúc điều khiển BS_PCH kết hợp hai kỹ thuật phi tuyến theo phân tầng điều khiển vector IFOC:

  • Vòng ngoài (Tốc độ và từ thông rotor): Sử dụng bộ điều khiển Backstepping (BS) cải tiến có bổ sung thành phần tích phân sai số bám quỹ đạo. Bộ điều khiển này được tổng hợp dựa trên hàm thế năng Lyapunov nhằm triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập và tăng tính bền vững trước biến động tải.
  • Vòng trong (Dòng điện $i_{sd}, i_{sq}$): Sử dụng bộ điều khiển cổng Hamiltonia (PCH) dựa trên nguyên lý định hình năng lượng, bổ sung ma trận liên kết và hàm tắt dần phi tuyến để bảo toàn tính chất vật lý của hệ thống, giúp dòng điện bám nhanh theo giá trị đặt và ổn định tiệm cận toàn cục.

2. Bộ quan sát tốc độ NNSM_SC_MRAS giải quyết các hạn chế ở dải tốc độ thấp của MRAS kinh điển bằng những giải pháp kỹ thuật nào?

Bộ quan sát NNSM_SC_MRAS giải quyết các vấn đề ở dải tốc độ thấp thông qua bốn giải pháp cốt lõi:

  • Sử dụng trực tiếp các thành phần dòng điện stator đo được làm mô hình tham chiếu (SC_MRAS), loại bỏ hoàn toàn khâu tích phân thuần túy của điện áp stator, tránh hiện tượng trôi dạt DC và sai lệch điều kiện đầu.
  • Áp dụng mạng nơ-ron tuyến tính hai lớp Adaline với thuật toán bình phương cực tiểu (LS) huấn luyện trực tuyến ở chế độ dự báo (prediction mode), giảm thời gian tính toán và tránh phi tuyến tính của mạng BPN.
  • Tích hợp bộ nhận dạng từ thông rotor và ước lượng trực tuyến điện trở stator $R_s$ dựa trên cấu trúc mô hình trượt (SM) theo tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, bù trừ chính xác sự thay đổi $R_s$ do nhiệt độ.
  • Sử dụng thuật toán tích phân Euler sửa đổi bổ sung 2 biến trạng thái để khắc phục hiện tượng mất ổn định do rời rạc hóa.

3. Kỹ thuật điều chế sóng mang RCMV 4S-CBPWM làm giảm điện áp common mode cho biến tần nguồn áp sáu pha như thế nào?

Kỹ thuật RCMV 4S-CBPWM phân tích sự hình thành điện áp common mode từ các trạng thái đóng cắt của biến tần, tiến hành loại bỏ hoàn toàn các vector không $(000)$ và $(111)$ (vốn sinh ra điện áp CMV cực đại $\pm V_d/2$). Kỹ thuật này sử dụng 4 vector trạng thái tích cực gần nhất kết hợp việc tính toán hàm offset tối ưu ($V_{comMid}$ hoặc $V_{comOpt}$) cho hai bộ nghịch lưu ba pha độc lập. Kết quả là biên độ điện áp common mode tức thời và trung bình được khống chế thành công trong phạm vi $\pm V_d/6$ mà không cần sử dụng mạch lọc phần cứng bổ sung.

4. Tại sao luận án sử dụng phương pháp phân rã không gian vector (VSD) để mô hình hóa động cơ SPIM?

Phương pháp phân rã không gian vector (VSD) chuyển đổi không gian 6 chiều thực của SPIM thành ba không gian con trực giao 2 chiều: $(\alpha\beta)$, $(xy)$ và $(z_1z_2)$. Cách tiếp cận này giúp phân tách rõ ràng bản chất vật lý: toàn bộ quá trình biến đổi năng lượng điện cơ và sinh mô men chỉ diễn ra trong không gian $(\alpha\beta)$; không gian $(xy)$ chỉ chứa sóng hài bậc $6n \pm 1$ gây tổn hao cần triệt tiêu; và không gian $(z_1z_2)$ bằng không do điểm trung tính cách ly. Việc này tạo điều kiện thuận lợi để xây dựng thuật toán điều khiển vector trên hệ tọa độ quay $dq$ tương tự như động cơ ba pha truyền thống.

5. Ứng dụng của hệ truyền động đề xuất trong hệ thống đẩy xe điện (EV) được kiểm chứng qua các kịch bản thử nghiệm nào?

Luận án kiểm chứng hệ thống truyền động SPIM tích hợp điều khiển BS_PCH, bộ quan sát NNSM_SC_MRAS và điều chế RCMV 4S-CBPWM trên mô hình hệ thống đẩy xe điện thông qua hai kịch bản mô phỏng chính:

  • Thử nghiệm theo chu kỳ lái tiêu chuẩn Châu Âu ECE-40 đã được sửa đổi phù hợp với động cơ SPIM.
  • Thử nghiệm theo chu trình vận hành biến thiên tải và đường dốc phức tạp dựa trên mẫu khảo sát trong tài liệu tham khảo [150]. Các kết quả mô phỏng ghi nhận đáp ứng bám tốc độ chính xác, sai số ước lượng nhỏ, dòng điện và mô men ổn định và điện áp common mode được triệt giảm hiệu quả.

Kết luận

Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán nâng cao chất lượng điều khiển vector không cảm biến tốc độ cho hệ truyền động động cơ không đồng bộ sáu pha bất đối xứng (SPIM). Bằng việc kết hợp cấu trúc điều khiển phi tuyến BS_PCH, bộ quan sát tốc độ thích nghi nơ-ron - mô hình trượt NNSM_SC_MRAS và kỹ thuật điều chế sóng mang giảm điện áp common mode RCMV 4S-CBPWM, công trình đã khắc phục hiệu quả các hạn chế tại vùng vận hành tốc độ thấp, cải thiện độ bền vững trước biến thiên tham số máy điện và giảm thiểu tác hại của điện áp common mode. Các kết quả mô phỏng kiểm chứng trên mô hình hệ thống đẩy xe điện khẳng định tính đúng đắn về mặt lý thuyết và tiềm năng ứng dụng thực tiễn của các giải pháp được đề xuất trong luận án.