Luận văn thạc sĩ về điều khiển trượt động cơ không đồng bộ ba pha tại HCMUTE

• Tác giả: Hồ Văn Nhiều
• Người hướng dẫn: PGS. TS Dương Hoài Nghĩa
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Điều Khiển Trượt Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Tình hình nghiên cứu
• 1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ
• 1.4. Giới hạn đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
• 2.1. Giới thiệu
• 2.2. Cơ sở lý thuyết vector không gian và hệ tọa độ
• 2.2.1. Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha
• 2.2.2. Hệ trục tọa độ cố định stator (α – β)
• 2.2.3. Hệ trục tọa độ quay (d – q) hay còn gọi là hệ tọa độ từ thông rotor
• 2.2.4. Mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha
• 2.2.5. Điều khiển tốc độ từ thông
• 2.2.6. Sự ước tính tốc độ
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
• 3.1. Bộ điều khiển chế độ trượt
• 3.1.1. Đạo hàm của luật điều khiển
• 3.1.2. Thiết kế bộ điều khiển khuếch đại (Gain control)
• 3.1.3. Giảm hiện tượng chattering
• 3.1.4. Thiết kế từ thông λ
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Thông số mô phỏng
• 4.2. Các trường hợp mô phỏng
• 4.2.1. Trường hợp 1
• 4.2.2. Trường hợp 2
• 4.2.3. Trường hợp 3
• 4.2.4. Trường hợp 4
• 4.2.5. Trường hợp 5
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH

I. Tổng quan về điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

Nghiên cứu về điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật điện. Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp nhờ vào tính đơn giản và hiệu quả của nó. Tuy nhiên, việc điều khiển chính xác tốc độ và mô men của động cơ này là một thách thức lớn. Các phương pháp điều khiển hiện tại như V/f, FOC, DTC, và SMC đã được phát triển để giải quyết vấn đề này. Trong đó, phương pháp điều khiển trượt (SMC) nổi bật với khả năng xử lý các bất định và nhiễu trong hệ thống. SMC cho phép điều khiển động cơ một cách ổn định và chính xác, ngay cả khi có sự thay đổi trong tải hoặc thông số động cơ.

1.1. Tình hình nghiên cứu

Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng điều khiển trượt là một phương pháp hiệu quả để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha. Các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng SMC có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của động cơ, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Các phương pháp điều khiển khác như FOC và DTC cũng đã được nghiên cứu và áp dụng, nhưng SMC cho thấy khả năng vượt trội trong việc xử lý các vấn đề không chắc chắn và nhiễu. Việc áp dụng SMC trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha đã mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng công nghiệp, từ việc giảm thiểu chi phí đến nâng cao hiệu suất hoạt động.

II. Mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha

Mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha là một bước quan trọng trong việc phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả. Mô hình này thường được xây dựng dựa trên các phương trình vi phân trong hệ tọa độ d-q. Việc sử dụng hệ tọa độ này giúp đơn giản hóa các tính toán và phân tích động cơ. Mô hình hóa cho phép xác định các thông số quan trọng như điện áp, dòng điện và từ thông trong động cơ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc mô hình hóa chính xác có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của bộ điều khiển. Đặc biệt, việc sử dụng các cảm biến để đo lường các thông số này có thể giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển.

2.1. Cơ sở lý thuyết vector không gian

Cơ sở lý thuyết vector không gian là nền tảng cho việc mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha. Hệ tọa độ d-q cho phép chuyển đổi các đại lượng ba pha thành các đại lượng hai pha, giúp đơn giản hóa quá trình phân tích và điều khiển. Việc sử dụng hệ tọa độ này không chỉ giúp dễ dàng trong việc tính toán mà còn giúp cải thiện độ chính xác trong việc điều khiển. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng lý thuyết vector không gian trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha có thể mang lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp truyền thống.

III. Thiết kế bộ điều khiển trượt

Thiết kế bộ điều khiển trượt cho động cơ không đồng bộ ba pha là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Bộ điều khiển trượt được thiết kế để đảm bảo rằng quỹ đạo pha của hệ thống luôn hướng về một mặt phẳng trượt. Điều này có nghĩa là khi quỹ đạo pha đã nằm trên mặt trượt, nó sẽ tiến về vị trí mong muốn một cách ổn định. Bộ điều khiển trượt bao gồm hai thành phần chính: thành phần điều khiển tương đương và thành phần điều khiển bền vững. Thành phần điều khiển bền vững có nhiệm vụ điều khiển quỹ đạo pha của các trạng thái luôn hướng về mặt trượt, trong khi thành phần điều khiển tương đương giúp duy trì các trạng thái bám sát trên mặt trượt.

3.1. Đạo hàm của luật điều khiển

Đạo hàm của luật điều khiển là một yếu tố quan trọng trong thiết kế bộ điều khiển trượt. Việc xác định đạo hàm chính xác giúp cải thiện khả năng phản hồi của bộ điều khiển đối với các thay đổi trong hệ thống. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa đạo hàm có thể giúp giảm thiểu hiện tượng chattering, một vấn đề thường gặp trong điều khiển trượt. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của động cơ mà còn tăng độ bền cho hệ thống điều khiển.

IV. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng là một phần quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển trượt. Các mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink cho phép kiểm tra và so sánh hiệu suất của bộ điều khiển trượt với các phương pháp điều khiển khác như PI. Kết quả cho thấy bộ điều khiển trượt có khả năng duy trì tốc độ động cơ ổn định hơn, ngay cả khi có sự thay đổi trong tải. Điều này chứng tỏ rằng điều khiển trượt là một phương pháp hiệu quả cho việc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha trong các ứng dụng công nghiệp.

4.1. Các trường hợp mô phỏng

Các trường hợp mô phỏng được thiết kế để kiểm tra hiệu suất của bộ điều khiển trong các điều kiện khác nhau. Mỗi trường hợp mô phỏng đều có các thông số khác nhau về tải và điều kiện hoạt động. Kết quả cho thấy rằng bộ điều khiển trượt có thể duy trì hiệu suất ổn định trong hầu hết các trường hợp, cho thấy tính linh hoạt và khả năng thích ứng của phương pháp này. So với các phương pháp điều khiển khác, bộ điều khiển trượt cho thấy sự vượt trội trong việc xử lý các tình huống không chắc chắn và biến động.

V. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu về điều khiển trượt động cơ không đồng bộ ba pha tại HCMUTE đã chỉ ra rằng phương pháp này có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp điều khiển truyền thống. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển trượt có khả năng duy trì hiệu suất ổn định trong các điều kiện khác nhau, đồng thời giảm thiểu hiện tượng chattering. Đề tài này mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn trong tương lai. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo là tiếp tục tối ưu hóa bộ điều khiển trượt và áp dụng vào các ứng dụng thực tế trong ngành công nghiệp.

5.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Đề xuất nghiên cứu tiếp theo là mở rộng ứng dụng của bộ điều khiển trượt trong các hệ thống động cơ phức tạp hơn. Việc nghiên cứu các phương pháp kết hợp giữa điều khiển trượt và các phương pháp điều khiển khác có thể mang lại hiệu quả cao hơn. Ngoài ra, việc áp dụng công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo vào thiết kế bộ điều khiển cũng là một hướng đi tiềm năng cho các nghiên cứu trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Động cơ không đồng bộ ba pha là một trong những thiết bị truyền động phổ biến trong công nghiệp nhờ cấu tạo đơn giản và chi phí thấp. Theo ước tính, động cơ này chiếm khoảng 70% tổng số động cơ sử dụng trong các hệ thống truyền động công nghiệp hiện nay. Tuy nhiên, việc điều khiển chính xác tốc độ và moment xoắn của động cơ không đồng bộ ba pha vẫn là một thách thức lớn do đặc tính phi tuyến và sự tương tác phức tạp giữa các biến trạng thái. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, nhằm cải thiện độ ổn định và giảm hiện tượng dao động chattering trong quá trình vận hành.

Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ năm 2016 đến 2019 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung vào mô hình hóa động cơ trên hệ trục tọa độ d-q và thiết kế bộ điều khiển trượt phù hợp. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất điều khiển tốc độ và moment xoắn, góp phần tăng độ tin cậy và hiệu quả sử dụng động cơ trong các ứng dụng công nghiệp, đồng thời giảm thiểu chi phí bảo trì và vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết vector không gian và điều khiển trượt. Lý thuyết vector không gian cho phép biểu diễn các đại lượng ba pha của động cơ như điện áp, dòng điện và từ thông trên hệ tọa độ α-β cố định và hệ tọa độ quay d-q, giúp đơn giản hóa mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha. Các khái niệm chính bao gồm:

• Vector không gian điện áp stator và dòng điện stator trong hệ tọa độ α-β.
• Hệ tọa độ quay d-q đồng bộ với từ thông rotor, giúp tách rời moment và từ thông để điều khiển hiệu quả.
• Mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha dựa trên các phương trình vi phân mô tả điện áp, dòng điện và moment xoắn.

Phương pháp điều khiển trượt (SMC) được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển với hai thành phần: điều khiển tương đương và điều khiển bền vững. SMC có ưu điểm là khả năng chịu được sự không chính xác của mô hình, biến đổi tham số và nhiễu loạn tải, đồng thời hội tụ trong thời gian hữu hạn. Tuy nhiên, hiện tượng chattering là một nhược điểm cần được khắc phục thông qua thiết kế lớp biên và điều chỉnh tham số bộ điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, sử dụng mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ d-q. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm nhiều trường hợp khác nhau với các điều kiện tải và biến đổi tham số rotor nhằm đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển trượt so với bộ điều khiển PI truyền thống.

Phương pháp phân tích tập trung vào so sánh đáp ứng tốc độ, sai số tốc độ và moment xoắn giữa hai bộ điều khiển. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 09/2016 đến tháng 04/2019, bao gồm các giai đoạn xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển tốc độ: Bộ điều khiển trượt đạt sai số tốc độ nhỏ hơn 2% trong hầu hết các trường hợp mô phỏng, trong khi bộ điều khiển PI có sai số lên đến 5%. Điều này chứng tỏ SMC có khả năng theo dõi tốc độ tham chiếu chính xác hơn.

2. Đáp ứng moment xoắn: Bộ điều khiển trượt cho thấy đáp ứng moment nhanh và ổn định hơn, với thời gian ổn định giảm khoảng 30% so với bộ điều khiển PI, giúp giảm thiểu dao động và tăng độ bền cho động cơ.

3. Khả năng chịu nhiễu và biến đổi tham số: Khi có sự thay đổi điện trở rotor và tải, bộ điều khiển trượt vẫn duy trì được hiệu suất ổn định, trong khi bộ điều khiển PI bị ảnh hưởng rõ rệt với sự tăng sai số và dao động.

4. Giảm hiện tượng chattering: Qua thiết kế lớp biên và điều chỉnh tham số gain, hiện tượng chattering trong bộ điều khiển trượt được giảm đáng kể, đảm bảo hoạt động mượt mà và giảm hao mòn thiết bị.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp bộ điều khiển trượt vượt trội là do tính chất phi tuyến và khả năng điều chỉnh nhanh các biến trạng thái của hệ thống, đồng thời không phụ thuộc nhiều vào mô hình chính xác của động cơ. So với các nghiên cứu trước đây về điều khiển PI và FOC, SMC thể hiện ưu thế trong việc xử lý các bất định và nhiễu loạn tải.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng tốc độ và moment xoắn theo thời gian, cũng như bảng so sánh sai số và thời gian ổn định giữa hai bộ điều khiển. Điều này minh chứng cho tính ứng dụng thực tiễn của phương pháp điều khiển trượt trong các hệ thống truyền động công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển trượt trong thực tế: Áp dụng bộ điều khiển trượt cho các hệ thống truyền động động cơ không đồng bộ ba pha tại các nhà máy sản xuất để nâng cao hiệu suất và độ ổn định, với kế hoạch thử nghiệm trong vòng 6 tháng.

2. Phát triển thuật toán giảm chattering: Nghiên cứu thêm các kỹ thuật lọc và điều chỉnh tham số để giảm hiện tượng chattering, nhằm kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm tiếng ồn, thực hiện trong 12 tháng tiếp theo.

3. Tích hợp điều khiển không cảm biến: Kết hợp bộ điều khiển trượt với các thuật toán ước lượng tốc độ không dùng cảm biến để giảm chi phí và tăng độ tin cậy, triển khai thử nghiệm trong 9 tháng.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư và kỹ thuật viên về thiết kế và vận hành bộ điều khiển trượt, nhằm nâng cao năng lực vận hành hệ thống truyền động, thực hiện liên tục trong năm đầu tiên sau nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư điều khiển tự động hóa: Nghiên cứu và áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến cho hệ thống truyền động động cơ không đồng bộ, nâng cao hiệu quả vận hành.

2. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình hóa và điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

3. Nhà quản lý kỹ thuật tại các nhà máy công nghiệp: Hiểu rõ về các giải pháp điều khiển hiện đại để đầu tư và nâng cấp hệ thống truyền động, giảm chi phí bảo trì và tăng năng suất.

4. Nhà phát triển phần mềm điều khiển: Cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình để phát triển các thuật toán điều khiển trượt tích hợp trong các bộ điều khiển số và biến tần.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều khiển trượt là gì và tại sao lại hiệu quả với động cơ không đồng bộ?
   Điều khiển trượt là phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên việc ép quỹ đạo trạng thái của hệ thống trượt trên một mặt phẳng đặc biệt, giúp hệ thống chịu được biến đổi tham số và nhiễu loạn. Với động cơ không đồng bộ, SMC giúp duy trì ổn định tốc độ và moment ngay cả khi có sự thay đổi tải hoặc sai số mô hình.

2. Hiện tượng chattering là gì và làm thế nào để giảm thiểu?
   Chattering là dao động nhanh và không mong muốn trong tín hiệu điều khiển do sự chuyển đổi liên tục của bộ điều khiển trượt. Giảm chattering có thể thực hiện bằng cách thiết kế lớp biên (boundary layer) và điều chỉnh tham số gain, giúp tín hiệu điều khiển mượt mà hơn.

3. So sánh giữa bộ điều khiển trượt và bộ điều khiển PI trong điều khiển động cơ không đồng bộ?
   Bộ điều khiển trượt có khả năng chịu được nhiễu và biến đổi tham số tốt hơn, đáp ứng nhanh và chính xác hơn so với bộ điều khiển PI truyền thống, đặc biệt trong các điều kiện tải thay đổi và mô hình không chính xác.

4. Có cần sử dụng cảm biến tốc độ khi áp dụng bộ điều khiển trượt?
   Không nhất thiết, vì có thể kết hợp với các thuật toán ước lượng tốc độ không dùng cảm biến, giúp giảm chi phí và tăng độ tin cậy cho hệ thống truyền động.

5. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng bộ điều khiển trượt?
   Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng để xây dựng mô hình toán học và mô phỏng bộ điều khiển trượt, cho phép đánh giá hiệu quả và so sánh với các phương pháp điều khiển khác.

Kết luận

• Bộ điều khiển trượt được thiết kế thành công cho động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, cải thiện đáng kể độ chính xác và ổn định tốc độ so với bộ điều khiển PI.
• Hiện tượng chattering được giảm thiểu hiệu quả nhờ thiết kế lớp biên và điều chỉnh tham số gain.
• Bộ điều khiển trượt thể hiện khả năng chịu được biến đổi tham số và nhiễu loạn tải, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp thực tế.
• Mô hình toán học và mô phỏng trên Matlab/Simulink cung cấp cơ sở vững chắc cho việc phát triển và ứng dụng bộ điều khiển trong thực tế.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tích hợp điều khiển không cảm biến và phát triển thuật toán giảm chattering để nâng cao hiệu quả điều khiển.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm thực tế bộ điều khiển trượt tại các nhà máy công nghiệp và tổ chức đào tạo chuyển giao công nghệ cho đội ngũ kỹ thuật viên. Để biết thêm chi tiết và nhận hỗ trợ kỹ thuật, quý độc giả và các đơn vị quan tâm có thể liên hệ trực tiếp với tác giả hoặc khoa Điện - Điện tử của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.