Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa (mã số: 9520216) của nghiên cứu sinh Phạm Thúy Ngọc, thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh năm 2019 dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Hữu Khương và TS. Trần Thanh Vũ, tập trung giải quyết các bài toán điều khiển phi tuyến và ước lượng trạng thái cho hệ truyền động động cơ không đồng bộ sáu pha.

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu nâng cao chất lượng vận hành của động cơ không đồng bộ nhiều pha trong các ngành công nghiệp đòi hỏi công suất lớn, độ an toàn và khả năng chịu sự cố cao như xe điện, xe điện lai, hàng không vũ trụ, quân sự và hệ thống đẩy tàu thủy. Động cơ không đồng bộ sáu pha không đối xứng (SPIM) sở hữu các ưu điểm vật lý như giảm áp lực dòng điện trên mỗi pha bán dẫn, giảm sóng hài dòng rotor, giảm biên độ và tăng tần số xung mô men, đồng thời duy trì khả năng sinh mô men khi xảy ra sự cố mất một hoặc nhiều pha. Tuy nhiên, SPIM là đối tượng phi tuyến phức tạp với sự gia tăng số pha, tồn tại ghép nối đa biến và các thành phần sóng hài không gian. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định gồm:

  • Bộ điều khiển vector gián tiếp (IFOC) kinh điển sử dụng vòng lặp tích phân tỷ lệ (PI) không đảm bảo tính bền vững khi tham số máy điện biến thiên (đặc biệt là điện trở stator và rotor) và khi có nhiễu tải tác động.
  • Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) thông thường cho biến tần nguồn áp sáu pha (SPVSI) sinh ra điện áp common mode (CMV) biên độ lớn, gây dòng điện rò, nhiễu điện từ (EMI) và hiện tượng phóng điện làm hỏng ổ bi động cơ.
  • Các kỹ thuật ước lượng tốc độ không cảm biến dựa trên hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu (MRAS) kinh điển (như RF_MRAS) gặp sự cố trôi tích phân thuần túy (DC drift), phụ thuộc lớn vào điện trở stator và suy giảm độ chính xác nghiêm trọng ở vùng tần số làm việc thấp hoặc tốc độ bằng không.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là xây dựng hệ thống điều khiển thích nghi cho điều khiển vector không cảm biến tốc độ của hệ truyền động SPIM dựa trên sự kết hợp giữa kỹ thuật điều khiển phi tuyến, điều khiển thông minh và kỹ thuật điều chế giảm điện áp common mode, nhằm cải thiện chất lượng bám quỹ đạo và mở rộng vùng làm việc ổn định ở dải tốc độ thấp. Các mục tiêu cụ thể được đánh số theo văn bản bao gồm:

  1. Xây dựng bộ quan sát tốc độ thích nghi cho điều khiển vector không cảm biến hệ truyền động SPIM, ứng dụng điều khiển thích nghi, điều khiển thông minh và điều khiển trượt.
  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 mô hình mô phỏng và thực hiện khảo sát cấu trúc điều khiển, quan sát tốc độ và giải thuật giảm CMV trên phần mềm MATLAB/Simulink.
  5. Đánh giá chất lượng và tính hiệu quả của hệ truyền động SPIM đề xuất khi ứng dụng trong hệ thống đẩy của xe điện.

Đối tượng nghiên cứu là hệ truyền động động cơ không đồng bộ sáu pha rotor lồng sóc bất đối xứng (hai bộ dây quấn ba pha đặt lệch nhau $30^\circ$ điện, trung tính cách ly) được cấp nguồn qua biến tần áp sáu pha. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình toán học của SPIM trên hệ trục tọa độ $\alpha\beta$, $xy$, $z_1z_2$ và hệ tọa độ quay $dq$; kỹ thuật điều khiển vector tựa theo từ thông rotor gián tiếp (IFOC); các phương pháp điều khiển phi tuyến Backstepping và Port-Controlled Hamiltonian (PCH); các giải thuật ước lượng thích nghi dựa trên dòng stator (SC_MRAS), mạng nơ-ron Adaline, mô hình trượt (SM); và đánh giá hoạt động qua mô phỏng chu kỳ lái xe điện theo tiêu chuẩn châu Âu ECE-40 sửa đổi.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến cấu trúc phần cứng và giải thuật điều khiển máy điện nhiều pha:

  • Về mô hình hóa và phân tích đặc tính động cơ nhiều pha: Tác giả dẫn xuất các nghiên cứu nền tảng của Ward và Härer (1969), Singh (2002) về việc phân tách dòng và giảm xung mô men; Levi cùng cộng sự (2004, 2007, 2008) về lý thuyết phân rã không gian vector (VSD); Zhao và Lipo (1995) về việc mô hình hóa không gian con $(\alpha\beta)$, $(xy)$, $(z_1z_2)$; Bojoi cùng các cộng sự (2002, 2003, 2006) về điều khiển độc lập hai bộ dây ba pha và hiện tượng mất cân bằng dòng giữa các nhánh rẽ.
  • Về ứng dụng công nghiệp thực tế: Luận án điểm lại các dự án công nghiệp quy mô lớn sử dụng hệ truyền động SPIM như hệ thống điều khiển vector cho động cơ 850 kW trong nhà máy nhựa, hệ truyền động 570 kW cấp bởi hai biến tần song song của Bojoi, và hệ thống kéo công suất lớn cho đầu máy xe lửa Adtranz FS E464 của đường sắt Italy.
  • Về kỹ thuật điều chế và xử lý điện áp common mode: Các nghiên cứu của Grandi, Rossi (2007) và Iqbal (2006, 2010) về phương pháp SVPWM đa vector; các phân tích của von Jouanne, Rendusara (1999) về tác hại của CMV gây ăn mòn ổ bi và dòng nhiễu EMI; các giải pháp phần cứng mắc cuộn kháng hoặc mạch bù tích cực của Julian (1999) và Akagi (2004) bị hạn chế do làm tăng chi phí và kích thước thiết bị.
  • Về giải thuật điều khiển FOC và kỹ thuật phi tuyến: Các cấu trúc FOC kinh điển của Blaschke (1972) sử dụng bộ điều khiển dòng PI; các tiếp cận tuyến tính hóa hồi tiếp của Chiasson (1998); điều khiển trượt của Utkin (1993); điều khiển Backstepping của Krstic (1995); và điều khiển định hình năng lượng Port-Controlled Hamiltonian (PCH) của Ortega, van der Schaft (1998, 2001) và Wang (2006).
  • Về kỹ thuật ước lượng không cảm biến tốc độ: Luận án phân tích hai nhóm chiến lược: phương pháp phân tích phổ dựa trên tiêm tín hiệu tần số cao của Holtz (2002, 2006) và phương pháp dựa trên mô hình máy điện. Trong nhóm dựa trên mô hình, kỹ thuật MRAS từ thông rotor (RF_MRAS) của Schauder (1992) được phân tích rõ các điểm nghẽn: khâu tích phân thuần túy gây trôi dạt DC khi xử lý tín hiệu điện áp stator ở vùng tốc độ thấp, sự phụ thuộc vào sự suy giảm điện áp ở tần số thấp theo các báo cáo của Holtz (2002), Vas (1998) và Bose (2002).

Từ tổng quan tài liệu, luận án lựa chọn giải quyết ba khoảng trống khoa học: thứ nhất, thay thế cấu trúc điều khiển PI truyền thống bằng sự kết hợp phi tuyến giữa Backstepping và PCH để kiểm soát đồng thời tốc độ, từ thông và dòng điện; thứ hai, phát triển giải thuật điều chế sóng mang giảm biên độ điện áp common mode xuống mức $\pm V_d/6$ mà không cần phần cứng phụ trợ; thứ ba, thiết kế bộ quan sát thích nghi dựa trên dòng stator (SC_MRAS) sử dụng mạng nơ-ron Adaline huấn luyện bằng thuật toán bình phương cực tiểu (LS), tích hợp bộ nhận dạng từ thông mô hình trượt (SM) và cập nhật điện trở stator trực tuyến nhằm loại bỏ khâu tích phân thuần túy và ổn định hóa ước lượng tại dải tốc độ gần bằng không.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các khung lý thuyết giải tích và công cụ điều khiển hiện đại:

  • Lý thuyết phân rã không gian vector (VSD - Vector Space Decomposition): Biến đổi không gian 6 chiều ban đầu của động cơ stator sáu pha thành 3 không gian con hai chiều trực giao cố định thông qua ma trận chuyển đổi $T_6$:
    • Không gian con $(\alpha\beta)$: Chịu trách nhiệm chuyển đổi năng lượng điện cơ, chứa các thành phần sóng hài cơ bản và hài bậc $12n \pm 1$ ($n = 1, 2, 3...$).
    • Không gian con $(xy)$: Không tham gia chuyển đổi năng lượng điện cơ, chứa các thành phần hài bậc $6n \pm 1$ ($n = 1, 3, 5...$) chỉ gây tổn hao đồng stator và bị giới hạn bởi điện trở cùng điện cảm rò.
    • Không gian con $(z_1z_2)$: Chứa thành phần thứ tự không, bằng 0 do cấu trúc hai điểm trung tính cách ly.
  • Khung tham chiếu quay đồng bộ $(dq)$: Phép biến đổi $T_2$ chuyển đổi các biến từ hệ tọa độ cố định $(\alpha\beta)$ sang hệ quay đồng bộ $(dq)$ theo góc quay từ thông rotor $\theta_e$, cho phép phân tách dòng tạo từ thông $i_{sd}$ và dòng tạo mô men $i_{sq}$ tương tự động cơ một chiều kích từ độc lập.
  • Lý thuyết ổn định Lyapunov: Sử dụng để chứng minh tính ổn định tiệm cận toàn cục cho thuật toán điều khiển Backstepping, bộ quan sát dòng stator và bộ nhận dạng từ thông trượt SM.
  • Lý thuyết hệ thống cổng Hamiltonian (PCH - Port-Controlled Hamiltonian): Dựa trên nguyên lý định hình năng lượng vòng kín, bổ sung cấu trúc ma trận liên kết $J(x)$ và ma trận tiêu tán/tắt dần $R(x)$ ($R(x) = R^T(x) \ge 0$) nhằm đảm bảo tính bền vững của các vòng điều khiển dòng nội trước biến thiên tham số.
  • Lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo tuyến tính (ADALINE): Cấu trúc nơ-ron hai lớp cập nhật trực tuyến các trọng số dựa trên thuật toán bình phương cực tiểu (LS - Least Squares) để giải bài toán xấp xỉ tuyến tính tốc độ góc rotor.

Phương pháp nghiên cứu thực tế của luận án là phương pháp định lượng kỹ thuật, kết hợp mô hình hóa giải tích, thiết kế thuật toán điều khiển thích nghi và kiểm chứng số trị:

  • Thiết lập hệ phương trình vi phân phi tuyến bậc cao mô tả động học máy điện, nghịch lưu và hệ thống cơ khí xe điện.
  • Rời rạc hóa mô hình toán học bằng thuật toán Euler sửa đổi (Modified Euler integration) bổ sung 2 biến trạng thái đầu vào nhằm triệt tiêu hiện tượng mất ổn định số học trong mô hình thích nghi.
  • Xây dựng mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trên môi trường MATLAB/Simulink bao gồm: bộ nghịch lưu SPVSI, giải thuật điều chế CBPWM, khối điều khiển BS_PCH, bộ quan sát NNSM_SC_MRAS, và mô hình tải động lực học xe điện. Dữ liệu thử nghiệm được chuẩn hóa theo chu kỳ vận hành phương tiện giao thông ECE-40 sửa đổi.

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 xây dựng hệ thống phương trình vi phân mô tả SPIM bất đối xứng dựa trên phép biến đổi VSD qua ma trận $T_6$. Mô hình trạng thái của động cơ trên mặt phẳng $(\alpha\beta)$ thể hiện quá trình biến đổi năng lượng điện cơ, trong khi trên mặt phẳng $(xy)$ và $(z_1z_2)$ các phương trình chỉ chứa điện trở và điện cảm rò stator:

$$\begin{bmatrix} V_{s\alpha} \ V_{s\beta} \ 0 \ 0 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} R_s + p L_s & 0 & p L_m & 0 \ 0 & R_s + p L_s & 0 & p L_m \ p L_m & \omega_r L_m & R_r + p L_r & \omega_r L_r \ -\omega_r L_m & p L_m & -\omega_r L_m & R_r + p L_r \end{bmatrix} \begin{bmatrix} i_{s\alpha} \ i_{s\beta} \ i_{r\alpha} \ i_{r\beta} \end{bmatrix}$$

Khi chuyển sang hệ tọa độ quay $(dq)$ tựa theo từ thông rotor ($\psi_{rq} = 0, \psi_r = \psi_{rd}$), hệ phương trình trạng thái của SPIM được thiết lập:

$$\frac{d i_{sd}}{dt} = -a i_{sd} + \omega_e i_{sq} + b R_r \psi_{rd} + c u_{sd}$$

$$\frac{d i_{sq}}{dt} = -a i_{sq} - \omega_e i_{sd} - b \omega_r \psi_{rd} + c u_{sq}$$

$$\frac{d \omega_r}{dt} = \frac{3}{2} \frac{P}{J} \delta \sigma L_s (\psi_{rd} i_{sq}) - \frac{T_L}{J} - \frac{B}{J} \omega_r$$

$$\frac{d \psi_{rd}}{dt} = \frac{L_m}{\tau_r} i_{sd} - \frac{1}{\tau_r} \psi_{rd}$$

Trong đó: $\sigma = 1 - \frac{L_m^2}{L_s L_r}$, $\delta = \frac{L_m}{\sigma L_s L_r}$, $a = \frac{L_m^2 R_r + L_r^2 R_s}{\sigma L_s L_r^2}$, $c = \frac{1}{\sigma L_s}$, $b = \frac{L_m}{\sigma L_s L_r^2}$, $\tau_r = \frac{L_r}{R_r}$.

Mô men điện từ được xác định theo biểu thức: $T_e = \frac{3}{2} P \frac{L_m}{L_r} \psi_{rd} i_{sq}$.

Tác giả phân tích các hạn chế của cấu trúc IFOC truyền thống dùng bộ điều khiển PI, đồng thời chỉ ra các lỗi đo lường, ảnh hưởng của tính phi tuyến biến tần, sự trôi dạt tích phân khi dùng bộ lọc thông thấp (LPF) thay cho tích phân thuần túy trong các bộ quan sát MRAS cổ điển.

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

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán giảm điện áp common mode phát sinh từ biến tần nguồn áp sáu pha SPVSI cấp nguồn cho hai bộ dây quấn ba pha trung tính cách ly $N_1$ và $N_2$. Điện áp common mode $V_{com}$ được định nghĩa từ điện áp trung tính của các bộ dây đối với điểm giữa của thanh cái một chiều ($O$):

$$V_{com} = \frac{V_{N1O} + V_{N2O}}{2} = \frac{(v_{as} + v_{bs} + v_{cs}) + (v_{As} + v_{Bs} + v_{Cs})}{6}$$

Tác giả phân tích và so sánh các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang (CBPWM):

  • Kỹ thuật sóng mang cùng pha (SIN PD_CBPWM) và dịch pha $180^\circ$ (SIN POD_CBPWM).
  • Kỹ thuật điều chế 4 trạng thái giảm điện áp common mode (RCMV 4S-CBPWM) với điện áp trung bình $V_{comMid}$ và tối ưu $V_{comOpt}$.

Bằng cách tính toán lại hàm offset điện áp điều khiển và lựa chọn các vector điện áp không gian tích cực phù hợp, phương pháp RCMV 4S-CBPWM triệt tiêu các trạng thái vector không ($V_0, V_7$) gây ra đỉnh xung CMV lớn nhất. Kết quả mô phỏng kiểm chứng rằng kỹ thuật đề xuất khống chế thành công biên độ điện áp common mode dao động ổn định trong phạm vi giới hạn chặt chẽ $\pm V_d/6$, giảm thiểu áp lực điện trường đặt lên cách điện cuộn dây và triệt tiêu đáng kể dòng điện phóng qua ổ bi motor.

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

Chương 3 đề xuất cấu trúc điều khiển phi tuyến kết hợp BS_PCH thay thế các bộ điều khiển PI tuyến tính trong hệ thống IFOC:

  • Vòng ngoài (điều khiển tốc độ $\omega_r$ và từ thông rotor $\psi_{rd}$): Ứng dụng kỹ thuật Backstepping cải tiến. Để khắc phục sai số xác lập khi có biến thiên tham số và nhiễu tải, tác giả bổ sung thành phần tích phân sai số bám (integral tracking error) vào hàm Lyapunov ứng viên:

$$V_1 = \frac{1}{2} e_{\omega}^2 + \frac{1}{2} k_i \left( \int e_{\omega} dt \right)^2$$

Đạo hàm ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov cấp hai đảm bảo tốc độ góc và từ thông bám chính xác theo giá trị đặt $\omega_r^$ và $\psi_{rd}^$, đồng thời sinh ra các tín hiệu dòng tham chiếu ảo $i_{sd}^$ và $i_{sq}^$.

  • Vòng trong (điều khiển dòng điện stator $i_{sd}, i_{sq}$): Ứng dụng cấu trúc Port-Controlled Hamiltonian (PCH). Mô hình động học dòng được chuyển đổi về dạng PCH tổng quát:

$$\dot{x} = [J(x) - R(x)] \frac{\partial H(x)}{\partial x} + g(x) u$$

Trong đó $H(x)$ là hàm tổng năng lượng của hệ thống, $J(x) = -J^T(x)$ đại diện cho cấu trúc ghép nối phi tuyến nội tại, và $R(x) \ge 0$ là ma trận tiêu tán năng lượng được gán bổ sung để tăng tốc độ dập tắt dao động. Cấu trúc PCH giúp tách rời thành công kênh dòng $d$ và $q$, nâng cao độ bền vững trước biến thiên điện trở rotor ($R_r$) và giữ cho hệ kín ổn định tiệm cận toàn cục.

Kết quả mô phỏng so sánh giữa cấu trúc BS_PCH và bộ điều khiển PI kinh điển chứng minh hệ thống đề xuất duy trì đáp ứng quá độ nhanh, không xuất hiện độ vọt lố khi khởi động, triệt tiêu sai số xác lập trong các điều kiện đảo chiều quay, chạy không tải, đóng tải định mức và khi điện trở rotor tăng gấp 3 lần giá trị danh định ($R_r = 3 R_{r0}$).

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 tốc độ thích nghi dòng stator NNSM_SC_MRAS kết hợp mạng nơ-ron và mô hình trượt, cấu thành từ bốn khối chức năng chính:

  1. Mô hình tham chiếu: Sử dụng trực tiếp các thành phần dòng điện stator đo được từ cảm biến dòng ($i_{s\alpha}, i_{s\beta}$), loại bỏ hoàn toàn khâu tích phân thuần túy của điện áp stator vốn là nguyên nhân chính gây trôi DC trong bộ quan sát từ thông truyền thống.
  2. Mô hình thích nghi: Sử dụng mạng nơ-ron tuyến tính ADALINE hai lớp để ước lượng thành phần dòng stator ($\hat{i}{s\alpha}, \hat{i}{s\beta}$). Các trọng số mạng liên kết trực tiếp với tốc độ rotor $\hat{\omega}_r$ và được huấn luyện thích nghi trực tuyến bằng thuật toán bình phương cực tiểu (LS). Cấu trúc tuyến tính hóa này làm giảm khối lượng tính toán ma trận so với thuật toán lan truyền ngược (BPN) phi tuyến. Mô hình thích nghi được triển khai ở chế độ dự báo (prediction mode) kết hợp thuật toán Euler sửa đổi (Modified Euler integration) bổ sung 2 biến trạng thái đầu vào, đảm bảo tính ổn định số học trong quá trình lấy mẫu.
  3. Bộ nhận dạng từ thông rotor bằng mô hình trượt (SM - Sliding Mode): Nhận dạng thành phần từ thông rotor $\hat{\psi}{r\alpha}, \hat{\psi}{r\beta}$ cung cấp cho mô hình thích nghi dòng và bộ điều khiển BS_PCH. Mặt trượt được thiết kế dựa trên sai số dòng stator, các hệ số khuếch đại đóng cắt được xác lập thỏa mãn điều kiện ổn định Lyapunov, hạn chế dao động chattering.
  4. Khối ước lượng và cập nhật trực tuyến điện trở stator ($R_s$): Bù trừ độ lệch do nhiệt độ cuộn dây tăng cao (có thể lên tới trên 50%), đảm bảo tính hội tụ của tốc độ ước tính ngay cả ở vùng tần số làm việc rất thấp.

Kết quả mô phỏng trên MATLAB chứng minh bộ quan sát NNSM_SC_MRAS bám sát tốc độ thực trong các kịch bản: tín hiệu đặt dạng bước nhảy, dạng tam giác đảo chiều qua điểm 0, dải tốc độ cực thấp (tần số vài Hz), hoạt động đầy đủ trên 4 góc phần tư và chế độ hãm tái sinh.

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 đã phát triển (IFOC sử dụng BS_PCH, bộ quan sát tốc độ NNSM_SC_MRAS và giải thuật giảm CMV) vào mô hình hệ thống đẩy xe điện (EV). Tác giả thiết lập mô hình cơ học động lực học chuyển động của phương tiện:

$$F_t = F_{rr} + F_{ad} + F_{hc} + F_{la}$$

Trong đó $F_t$ là lực kéo tiếp xúc mặt đường; $F_{rr}$ là lực cản lăn; $F_{ad}$ là lực cản khí động học; $F_{hc}$ là lực cản lên dốc; và $F_{la}$ là lực quán tính gia tốc của xe. Mô men tải quy đổi về trục động cơ $T_L$ được tính toán trực tiếp từ tổng các lực cản chuyển động qua tỷ số truyền và bán kính bánh xe.

Hệ thống được kiểm chứng thông qua mô phỏng chu kỳ lái tiêu chuẩn châu Âu ECE-40 đã sửa đổi và các kịch bản chu kỳ vận hành thay đổi độ dốc mặt đường. Kết quả cho thấy tốc độ động cơ bám sát chu trình lái mong muốn, sai số ước lượng tốc độ từ bộ quan sát được khống chế ở mức rất nhỏ, mô men điện từ đáp ứng nhanh các pha tăng tốc, duy trì tốc độ ổn định và thực hiện hãm tái sinh thu hồi năng lượng khi phương tiện giảm tốc độ.

Bảng tổng hợp đối chiếu các giải pháp kỹ thuật được tác giả phân tích và đề xuất trong luận án:

Hạng mục kỹ thuật Phương pháp truyền thống / Tham chiếu Giải pháp đề xuất của luận án Hiệu quả kỹ thuật ghi nhận từ văn bản
Kỹ thuật điều khiển dòng và tốc độ Cấu trúc IFOC sử dụng các bộ điều khiển PI tuyến tính Kết hợp phi tuyến Backstepping tích phân (vòng ngoài) và Port-Controlled Hamiltonian (vòng trong) Loại bỏ vọt lố, ổn định tiệm cận toàn cục, bền vững khi $R_r = 3 R_{r0}$ và có nhiễu tải
Kỹ thuật điều chế xung cho biến tần SPVSI Kỹ thuật điều chế sóng mang thông thường (SIN PD, SIN POD) Kỹ thuật điều chế sóng mang giảm CMV (RCMV 4S-CBPWM với $V_{comMid}$ và $V_{comOpt}$) Giảm và kiểm soát biên độ điện áp common mode trong phạm vi $\pm V_d/6$
Mô hình tham chiếu bộ quan sát tốc độ Sử dụng từ thông rotor (RF_MRAS) tính từ điện áp stator Sử dụng trực tiếp thành phần dòng điện stator đo được (SC_MRAS) Tránh khâu tích phân thuần túy, loại bỏ hiện tượng trôi dạt DC và lỗi điều kiện ban đầu
Thuật toán thích nghi ước lượng tốc độ Mạng nơ-ron lan truyền ngược phi tuyến (BPN) ở chế độ mô phỏng Mạng nơ-ron ADALINE huấn luyện bằng bình phương cực tiểu (LS) ở chế độ dự báo Giảm khối lượng tính toán, tốc độ hội tụ nhanh hơn, sai số thấp ở cả quá độ và xác lập
Nhận dạng từ thông rotor và tham số Mô hình tính toán điện áp hở mạch hoặc mô hình dòng thuần túy Bộ nhận dạng từ thông mô hình trượt (SM) kết hợp ước lượng cập nhật trực tuyến $R_s$ Nâng cao độ chính xác ở dải tốc độ thấp và tần số gần 0 khi nhiệt độ thay đổi
Rời rạc hóa mô hình thích nghi Thuật toán Euler chuẩn Thuật toán Euler sửa đổi (Modified Euler) tăng thêm 2 biến trạng thái Giải quyết hiện tượng mất ổn định do rời rạc hóa phương trình rotor

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đóng góp các kết quả nghiên cứu cụ thể về mặt lý luận và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực điều khiển tự động hệ truyền động điện sáu pha:

  1. Đóng góp về lý luận điều khiển phi tuyến: Xây dựng thành công cấu trúc điều khiển phối hợp BS_PCH cho hệ truyền động SPIM. Bộ điều khiển Backstepping bổ sung thành phần tích phân sai số bám cho phép triệt tiêu sai số xác lập vòng tốc độ và từ thông rotor; bộ điều khiển PCH dựa trên nguyên lý thụ động và định hình năng lượng giải quyết triệt để tính phi tuyến ghép kênh của vòng dòng điện stator, đảm bảo tính ổn định tiệm cận Lyapunov cho toàn hệ thống dưới tác động của biến thiên tham số điện trở rotor và tải trọng bên ngoài.
  2. Đóng góp về lý thuyết ước lượng trạng thái thích nghi: Thiết kế hoàn chỉnh bộ quan sát tốc độ NNSM_SC_MRAS. Bằng việc kết hợp mô hình tham chiếu dòng stator, giải thuật học bình phương cực tiểu LS trên mạng ADALINE ở chế độ dự báo, thuật toán rời rạc Euler sửa đổi và bộ nhận dạng từ thông trượt SM, luận án đã cung cấp một công cụ ước lượng tốc độ có độ chính xác cao, giải quyết đồng thời các vấn đề cố hữu của MRAS truyền thống gồm: trôi tích phân DC, suy giảm tín hiệu điện áp ở tần số thấp và nhạy cảm với biến thiên điện trở stator $R_s$.
  3. Đóng góp về giải thuật điều chế điện tử công suất: Phát triển kỹ thuật điều chế sóng mang RCMV 4S-CBPWM dành riêng cho biến tần sáu pha SPVSI. Phương pháp này giảm thiểu biên độ điện áp common mode về dải $\pm V_d/6$ bằng thuật toán tính toán hàm offset đơn giản, khối lượng tính toán thấp, không đòi hỏi lắp đặt thêm mạch lọc phần cứng thụ động hay mạch bù chủ động.
  4. Đóng góp về ứng dụng thực tiễn: Ứng dụng thành công toàn bộ hệ thống điều khiển và ước lượng đề xuất cho mô hình hệ thống đẩy xe điện trên phần mềm MATLAB/Simulink. Kết quả bám quỹ đạo vận tốc theo chu kỳ ECE-40 sửa đổi khẳng định khả năng làm việc tin cậy của hệ truyền động SPIM trong các phương tiện giao thông vận tải hiện đại.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất: Tiếp tục hoàn thiện giải thuật theo hướng tối ưu hóa thời gian thực để sẵn sàng nạp xuống các bộ vi xử lý tín hiệu số (DSP) chuyên dụng trong công nghiệp chế tạo ô tô điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Toàn bộ các kết quả đánh giá chất lượng của cấu trúc điều khiển BS_PCH, bộ quan sát tốc độ NNSM_SC_MRAS và giải thuật điều chế RCMV 4S-CBPWM đều được thực hiện dựa trên nền tảng mô phỏng số học (MATLAB/Simulink), chưa được kiểm chứng thực nghiệm trực tiếp trên băng thử phần cứng công nghiệp hoàn chỉnh (DSP/FPGA ghép nối với động cơ SPIM vật lý).
  • Mô hình nghiên cứu bỏ qua hiện tượng bão hòa từ của mạch từ và tổn hao trong lõi thép máy điện.

Hướng nghiên cứu tiếp được tác giả xác định trong văn bản bao gồm:

  • Xây dựng hệ thống thực nghiệm trên phần cứng thực tế (sử dụng các bộ xử lý DSP hoặc DSC chuyên dụng) để đo đạc và kiểm chứng các giải thuật điều khiển phi tuyến và quan sát tốc độ thích nghi.
  • Mở rộng kỹ thuật điều chế giảm điện áp common mode cho các hệ thống biến tần đa bậc hoặc biến tần nhiều pha có cấu trúc phức tạp hơn.
  • Nghiên cứu sâu hơn về chế độ hoạt động chịu lỗi (fault-tolerant control) của hệ truyền động SPIM khi xảy ra sự cố hỏng van bán dẫn hoặc đứt pha cuộn dây stator trong ứng dụng xe điện.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các nhóm đối tượng nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, Thiết bị điện, Kỹ thuật điện tử: Cung cấp phương pháp luận chặt chẽ trong việc mô hình hóa không gian vector VSD cho động cơ nhiều pha, quy trình phân tích ổn định Lyapunov cho bộ điều khiển Backstepping tích phân và bộ điều khiển Hamiltonian định hình năng lượng.
  • Các kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong ngành công nghiệp ô tô điện và xe điện lai: Tham khảo mô hình toán học động lực học phương tiện, giải thuật điều khiển mô men đáp ứng chu kỳ ECE-40 và các chiến lược tái sinh năng lượng.
  • Các nhà thiết kế hệ thống biến tần công suất: Tham khảo trực tiếp chương 2 về phương pháp xây dựng hàm offset và thuật toán điều chế sóng mang RCMV 4S-CBPWM để giảm thiểu xung áp common mode, triệt tiêu nguy cơ hỏng vòng bi động cơ mà không làm tăng chi phí phần cứng.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ không đồng bộ sáu pha (SPIM) trong luận án có cấu tạo dây quấn như thế nào và việc chuyển đổi hệ tọa độ được thực hiện ra sao?
SPIM là loại động cơ không đồng bộ ba pha kép rotor lồng sóc bất đối xứng, gồm hai bộ dây quấn stator ba pha ($as, bs, cs$ và $As, Bs, Cs$) đặt lệch nhau một góc không gian $30^\circ$ điện, hai điểm trung tính $N_1$ và $N_2$ hoàn toàn cách ly. Việc mô hình hóa dựa trên lý thuyết phân rã không gian vector (VSD) thông qua ma trận chuyển đổi $T_6$ cấp $6 \times 6$, phân rã không gian 6 chiều thành 3 không gian con hai chiều: $(\alpha\beta)$ chuyển đổi năng lượng điện cơ, $(xy)$ chỉ chứa sóng hài bậc $6n \pm 1$ gây tổn hao, và $(z_1z_2)$ bằng 0 do trung tính cách ly. Sau đó, ma trận $T_2$ chuyển đổi không gian $(\alpha\beta)$ sang hệ trục quay $(dq)$ tựa theo từ thông rotor.

2. Cấu trúc điều khiển phi tuyến BS_PCH phân chia nhiệm vụ giữa các vòng điều khiển như thế nào?
Cấu trúc BS_PCH phân chia nhiệm vụ rõ ràng:

  • Vòng ngoài: Kỹ thuật Backstepping cải tiến bổ sung thành phần tích phân sai số bám được sử dụng để điều khiển tốc độ góc $\omega_r$ và từ thông rotor $\psi_{rd}$, giúp triệt tiêu sai số xác lập và tạo ra tín hiệu dòng điện đặt $i_{sd}^, i_{sq}^$.
  • Vòng trong: Kỹ thuật Port-Controlled Hamiltonian (PCH) định hình năng lượng được áp dụng cho vòng dòng điện, bổ sung ma trận liên kết $J(x)$ và ma trận tắt dần $R(x)$ để dập tắt dao động, khử ghép kênh phi tuyến và bảo toàn tính bền vững khi tham số điện trở rotor $R_r$ biến thiên hoặc khi xuất hiện nhiễu tải.

3. Tại sao bộ quan sát NNSM_SC_MRAS lại giải quyết được nhược điểm của bộ quan sát từ thông rotor RF_MRAS truyền thống ở dải tốc độ thấp?
Bộ quan sát RF_MRAS truyền thống phải tích phân điện áp stator để tìm từ thông, dẫn đến hiện tượng trôi dạt tích phân thuần túy (DC drift) và sai số lớn ở tần số thấp khi biên độ điện áp suy giảm. Ngược lại, NNSM_SC_MRAS sử dụng trực tiếp các thành phần dòng điện stator đo được làm mô hình tham chiếu, loại bỏ hoàn toàn khâu tích phân thuần túy. Đồng thời, mô hình thích nghi sử dụng mạng ADALINE huấn luyện bằng giải thuật bình phương cực tiểu LS ở chế độ dự báo, kết hợp bộ nhận dạng từ thông mô hình trượt SM và khối cập nhật điện trở stator $R_s$ trực tuyến, giúp ước lượng ổn định ngay cả tại vùng tốc độ gần bằng không.

4. Giải thuật điều chế RCMV 4S-CBPWM kiểm soát điện áp common mode như thế nào và đạt kết quả ra sao?
Điện áp common mode sinh ra do sự đóng cắt không đồng thời của các khóa bán dẫn trong biến tần sáu pha SPVSI. Kỹ thuật RCMV 4S-CBPWM sử dụng 4 vector trạng thái tích cực trong một chu kỳ điều chế và tính toán lại hàm offset điện áp để loại bỏ việc sử dụng các vector không ($V_0, V_7$). Nhờ đó, biên độ điện áp common mode được giảm thiểu và khống chế thành công trong phạm vi hẹp $\pm V_d/6$, giúp triệt tiêu hiện tượng phóng điện phá hủy ổ bi động cơ và giảm sóng hài dòng rò stator.

5. Ứng dụng của hệ truyền động SPIM trong hệ thống đẩy xe điện được kiểm chứng qua chu kỳ nào?
Hệ thống truyền động được tích hợp vào mô hình cơ học chuyển động của xe điện, chịu các lực cản lăn, cản khí động, cản lên dốc và lực quán tính. Quá trình kiểm chứng mô phỏng được thực hiện trên chu kỳ thử nghiệm lái tiêu chuẩn châu Âu ECE-40 đã sửa đổi. Kết quả cho thấy hệ thống bám sát đồ thị vận tốc yêu cầu, đáp ứng mô men chính xác trong các giai đoạn tăng tốc, duy trì vận tốc và thực hiện hãm tái sinh năng lượng ổn định.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Phạm Thúy Ngọc đã giải quyết trọn vẹn 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. Bằng việc kết hợp cấu trúc điều khiển phi tuyến BS_PCH, bộ quan sát thích nghi dòng stator NNSM_SC_MRAS tích hợp mạng ADALINE và mô hình trượt, cùng kỹ thuật điều chế sóng mang RCMV 4S-CBPWM khống chế điện áp common mode trong mức $\pm V_d/6$, công trình đã khắc phục hiệu quả các hạn chế về độ nhạy tham số, hiện tượng trôi tích phân và sự mất ổn định ở dải tốc độ thấp. Các kết quả mô phỏng bám sát chu kỳ lái xe điện ECE-40 khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tế của giải pháp trong các hệ thống truyền động điện hiện đại ngành giao thông vận tải và công nghiệp.