Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ, đặc biệt là loại rotor lồng sóc, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp nhờ cấu tạo đơn giản, độ tin cậy vận hành cao và giá thành hợp lý. Tuy nhiên, đối tượng này có mô hình toán học phi tuyến phức tạp với các tham số biến thiên liên tục theo điều kiện vận hành (chẳng hạn như điện trở stator và điện trở rotor thay đổi theo nhiệt độ làm việc). Thêm vào đó, từ thông và vận tốc góc thường không thể đo đạc trực tiếp mà phải ước lượng qua mô hình, đồng thời hệ thống luôn chịu tác động của các yếu tố bất định và nhiễu tải.

Trong các phương pháp điều khiển vector kinh điển, điều khiển định hướng vector từ thông rotor (Rotor Flux Oriented Control - RFOC) phụ thuộc vào hầu hết các tham số của máy điện, làm tăng độ phức tạp khi thiết kế thuật toán điều khiển thích nghi và bền vững. Ngược lại, điều khiển định hướng vector từ thông stator (Stator Flux Oriented Control - SFOC) chỉ yêu cầu các tham số về điện áp stator, dòng điện stator và điện trở stator, tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững. Mặt khác, các hệ truyền động truyền thống sử dụng biến tần bậc thấp thường phát sinh hàm lượng sóng hài bậc cao lớn và sinh ra điện áp common-mode (CM). Điện áp CM này tạo ra dòng điện phóng qua vòng bi do hiệu ứng tương thích điện từ (EMC), gây hư hỏng cơ khí và làm suy giảm tuổi thọ động cơ. Do đó, việc nghiên cứu giải pháp kết hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững trên cơ sở SFOC với biến tần đa bậc có giải thuật triệt giảm điện áp CM và giảm thiểu hiện tượng dao động quanh mặt trượt (chattering) là vấn đề kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định mục tiêu chính là đề xuất các phương pháp điều khiển thích nghi bền vững cho động cơ ba pha không đồng bộ trên nguyên lý tựa hướng vector từ thông stator (SFOC), kết hợp với bộ biến tần cascade 7 bậc có giải thuật giảm điện áp CM bằng phương pháp điều chế pha, đồng thời đánh giá tính chất phù hợp cho từng cấu trúc điều khiển. Các mục tiêu cụ thể được đánh số trong văn bản gồm:

  1. Đề xuất ba phương pháp điều chế mới nhằm giảm điện áp common-mode cho biến tần đa bậc:
    • a) Điều chế pha (Phase Modulation - PM).
    • b) Điều chế dịch chuyển pha (Phase Shift Keying - PSK).
    • c) Điều chế tần số (Frequency Modulation - FM).
  2. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi và bền vững cho động cơ ba pha không đồng bộ sử dụng mô hình nội (Internal Model Control - IMC).
  3. Đề xuất ba phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) mới cho động cơ ba pha không đồng bộ nhằm giảm dao động quanh mặt trượt, nhận dạng tốc độ sử dụng mạng nơ-ron và đảm bảo tính ổn định hệ thống khi có nhiễu:
    • a) Điều khiển trượt trên cơ sở mạng hàm cơ sở xuyên tâm (Radial Basis Function - RBF).
    • b) Điều khiển trượt trên cơ sở mạch lọc thông thấp.
    • c) Điều khiển trượt với mô hình ước lượng vận tốc danh định.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các thuật toán điều khiển thích nghi bền vững trên cơ sở định hướng vector từ thông stator cho động cơ ba pha không đồng bộ rotor lồng sóc có tham số bất định (điện trở stator $R_s$, điện trở rotor $R_r$, mô-men tải $T_m$ thay đổi và có nhiễu bên ngoài), kết hợp bộ biến tần đa bậc cascade với giải thuật giảm điện áp CM.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Động cơ ba pha không đồng bộ rotor lồng sóc công suất 1 HP, điện áp 380 V, tần số 50 Hz, tốc độ định mức 150 rad/s.
    • Biến tần đa bậc kiểu cascade nối tầng (khảo sát mô hình 9 bậc cho phần phân tích điều chế CM và cấu hình 7 bậc cho hệ điều khiển động cơ).
    • Dải vận tốc đặt khảo sát từ 3 rad/s đến 150 rad/s.
    • Kiểm tra tính bền vững của hệ thống khi tham số điện trở stator và điện trở rotor gia tăng lên đến 1,5 lần giá trị định mức trong điều kiện có nhiễu tác động.
    • Công cụ thực hiện: Phân tích ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov, mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink và thực nghiệm kiểm chứng bằng card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 (tần số 150 MHz).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Trong chương tổng quan, tác giả hệ thống hóa các hướng tiếp cận điều khiển động cơ xoay chiều và các công trình liên quan đến xử lý dao động mặt trượt cũng như điện áp common-mode:

  1. Điều khiển truyền động động cơ xoay chiều:

    • Điều khiển scalar ($U/f$): Gồm các cấu trúc vòng hở, vòng kín có cảm biến tốc độ và vòng kín không cảm biến. Hạn chế lớn nhất của điều khiển scalar là ảnh hưởng của điện trở stator ở vùng tần số thấp làm suy giảm mô-men cực đại và chất lượng động học kém ở trạng thái quá độ.
    • Điều khiển vector: Phân chia thành điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC), định hướng từ thông stator (SFOC), từ thông khe hở không khí và điều khiển trực tiếp mô-men (Direct Torque Control - DTC). DTC cho đáp ứng mô-men nhanh nhưng độ đập mạch mô-men và từ thông lớn. RFOC phân rã độc lập dòng tạo từ thông ($i_{sd}$) và dòng tạo mô-men ($i_{sq}$) nhưng phụ thuộc lớn vào hằng số thời gian rotor $T_r = L_r / R_r$.
    • Điều khiển thích nghi và phi tuyến: Ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) truyền thẳng 3 lớp để nhận dạng mô hình thuận/nghịch, điều khiển mô hình nội (IMC) và điều khiển theo mô hình chuẩn (MRAC).

  2. Các nghiên cứu về giảm dao động quanh mặt trượt (chattering) trong điều khiển trượt (SMC):

    • Zhixiong Hou (2003): Ứng dụng hệ mờ để ước lượng các thành phần không xác định và biên độ hàm trượt, chứng minh ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov.
    • Li Jian-jun (2010): Đề xuất kết hợp logic mờ với SMC, sử dụng mạng nơ-ron thay thế hàm giao hoán nhằm loại bỏ hiện tượng dao động.
    • Zhang Yuzeng (2010): Thiết lập vùng biên (vùng giới hạn) cho quá trình giao hoán của mặt trượt; phương pháp này giảm dao động nhưng việc chọn bề dày vùng biên không có tính phổ quát cho mọi đối tượng.
    • Yangmin Li (2010): Xây dựng mặt trượt dựa trên luật điều khiển PID; giải pháp loại bỏ được rung lắc nhưng làm tăng độ vọt lố và kéo dài thời gian xác lập.
    • Chiheb Ben Regaya và Abderrahmen Zaafouri (2014): Xây dựng giải thuật điều khiển trượt cho động cơ trên cơ sở logic mờ để giảm dao động quanh mặt trượt.
    • Yu (2014): Nghiên cứu giải thuật điều khiển trượt bậc cao (Higher-Order SMC) nhằm hạn chế chattering.
    • Ziad Hussein Salih, Khalaf S. Gaeid và Ali Saghafinia (2015): Ứng dụng thuật toán điều khiển trượt trên cơ sở định hướng vector gián tiếp để giảm chattering.
    • Xiong (2015): Áp dụng giải thuật điều khiển trượt trên cơ sở luật tiếp cận (reaching law) để triệt tiêu dao động.

  3. Các nghiên cứu về giảm điện áp common-mode và sóng hài:

    • Các giải pháp trên biến tần bậc thấp truyền thống không có khả năng triệt giảm điện áp CM và phát sinh sóng hài điện áp cao.
    • Các giải pháp trên biến tần đa bậc đã được nghiên cứu nhưng còn tồn tại nhược điểm về tần số đóng ngắt khóa bán dẫn cao và giải thuật tính toán phức tạp.
+-----------------------------------------------------------------------------+
|                            LUẬN ÁN TIẾN SĨ                                  |
|         "ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ"       |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
|          HƯỚNG ĐIỀU CHẾ BIẾN TẦN     |       HƯỚNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ       |
+--------------------------------------+--------------------------------------+
| - Biến tần cascade đa bậc            | - Tựa hướng từ thông stator (SFOC)   |
| - Giảm điện áp Common-Mode (CM)      | - Điều khiển mô hình nội (IMC-NN)    |
| - 3 phương pháp điều chế:            | - 3 cấu trúc SMC giảm chattering:    |
|   * Điều chế pha (PM)                |   * SMC kết hợp mạng RBF             |
|   * Điều chế dịch pha (PSK)          |   * SMC dùng bộ lọc thông thấp       |
|   * Điều chế tần số (FM)             |   * SMC dùng mô hình ước lượng       |
| - Thuật toán offset giảm chuyển mạch | - Bền vững trước biến thiên Rs, Rr   |
+--------------------------------------+--------------------------------------+

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết đồng thời hai khoảng trống kỹ thuật:

  1. Giải quyết bài toán điện áp CM và tần số chuyển mạch trên biến tần đa bậc cascade bằng cách xây dựng ba kỹ thuật điều chế sóng mang mới (PM, PSK, FM) kết hợp thuật toán offset, giúp đưa thông tin tín hiệu điều khiển vào sóng mang, giảm biên độ điện áp CM và giảm số lần đóng ngắt linh kiện IGBT.
  2. Khắc phục nhược điểm phụ thuộc tham số của RFOC bằng cách phát triển hệ thống điều khiển trên nền tảng SFOC, kết hợp giải thuật điều khiển mô hình nội (IMC) và các biến thể điều khiển trượt (SMC) cải tiến (dùng mạng RBF, bộ lọc thông thấp, mô hình danh định bù nhiễu) để triệt tiêu hiện tượng chattering, giữ vững chất lượng bám tốc độ khi điện trở thay đổi $1,5$ lần và có nhiễu tải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ tựa từ thông stator ($d-q$): Phương trình điện áp và từ thông trên hệ tọa độ quay đồng bộ: $$u_{sd} = R_s i_{sd} + \frac{d\psi_{sd}}{dt}$$ $$u_{sq} = R_s i_{sq} + \omega_{sm} \psi_{sd}$$ $$\psi_{sd} = L_s i_{sd} + L_m i_{rd}$$ $$\psi_{sq} = L_s i_{sq} + L_m i_{rq} = 0$$ Biểu thức mô-men điện từ: $$T_e = \frac{3}{2} P (\psi_{sd} i_{sq} - \psi_{sq} i_{sd}) = \frac{3}{2} P \psi_{sd} i_{sq}$$ Phương trình động học cơ học: $$J \frac{d\omega_r}{dt} = T_e - T_m - B\omega_r$$

  • Lý thuyết điều khiển hệ phi tuyến dùng mạng nơ-ron: Sử dụng cấu trúc mạng truyền thẳng 3 lớp (lớp vào, lớp ẩn, lớp ra) với giải thuật học lan truyền ngược sai số (Backpropagation) dựa trên gradient giảm dần. Mạng nơ-ron được áp dụng để nhận dạng mô hình thuận và mô hình ngược của động cơ:

    • Hàm mục tiêu nhận dạng mô hình thuận: $F = \frac{1}{2} [y(t) - y_m(t)]^2 \to \min$
    • Hàm mục tiêu nhận dạng mô hình ngược: $F = \frac{1}{2} [r(t) - y(t)]^2 \to \min$
    • Nguyên lý điều khiển mô hình nội (IMC): Hàm truyền hệ kín đạt $G_R(s) = 1$ và $G_N(s) = 0$, giúp tín hiệu ra $Y(s)$ bám sát tín hiệu đặt $R(s)$ và triệt tiêu hoàn toàn tác động của nhiễu đo $N(s)$.

  • Lý thuyết điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC):

    • Mặt trượt được thiết kế dạng đa thức Hurwitz: $s(x) = C^T x = \sum_{i=1}^{n-1} c_i x_i + x_n$ với các hệ số $c_i > 0$.
    • Luật điều khiển gồm thành phần tương đương và thành phần gián đoạn: $u(t) = u_{eq}(t) - \varepsilon \text{sign}(s)$.
    • Chứng minh ổn định tiệm cận dựa trên hàm Lyapunov: $V(s) = \frac{1}{2} s^2$, điều kiện ổn định: $\dot{V}(s) = s \dot{s} \le -\varepsilon |s| < 0$.

  • Lý thuyết điều chế sóng mang cho biến tần đa bậc:

    • Điện áp common-mode của biến tần 3 pha $n$ bậc: $V_{CM} = \frac{V_{ao} + V_{bo} + V_{co}}{3}$.
    • Kỹ thuật điều chế sóng mang chuẩn hóa kết hợp các phép điều chế góc pha (PM), dịch pha (PSK) và điều biến tần số (FM) biểu diễn qua chuỗi hàm Bessel loại một $J_n(m_f)$.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập toàn bộ mô hình toán học động cơ, biến tần cascade bậc 7/bậc 9 và các giải thuật điều khiển trên môi trường MATLAB/Simulink.
  • Phương pháp thực nghiệm phần cứng:
    • Vi xử lý: Card DSP TMS320F28335 thực thi chương trình điều khiển thời gian thực với tần số xung nhịp 150 MHz, bộ biến đổi ADC thu thập tín hiệu dòng điện, điện áp và encoder phản hồi tốc độ.
    • Mạch công suất: Biến tần đa bậc cascade nối tầng sử dụng van bán dẫn IGBT.
    • Tải thực nghiệm: Động cơ ba pha không đồng bộ rotor lồng sóc 1 HP (380 V, 50 Hz, 150 rad/s) ghép nối với hệ thống tạo tải cơ học.
  • Nguồn dữ liệu thu thập: Dữ liệu dòng điện stator pha a ($i_{sa}$), điện áp pha ($V_{ao}$), điện áp common-mode ($V_{CM}$), độ méo hài tổng dòng/áp (THD), đáp ứng vận tốc góc ($\omega_r$), từ thông trục d ($\psi_{sd}$), mô-men tải ($T_m$) và số lần chuyển mạch trong một chu kỳ của các khóa bán dẫn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ

Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp và đặt nền tảng lý thuyết cho các giải thuật điều khiển phi tuyến.

  • Phương pháp điều khiển scalar: Khảo sát đặc tính cơ của động cơ xoay chiều (phân tích trên động cơ mẫu 11 kW, 240 V, 50 Hz, $R_s = 0,284\ \Omega$). Khi tỷ số $U_s / \omega_s$ là hằng số, mô-men cực đại $T_M$ không phụ thuộc vào tần số ở vùng tốc độ định mức; tuy nhiên ở tần số thấp, điện trở stator $R_s$ gây sụt áp lớn làm giảm mô-men cực đại. Phân tích ba cấu trúc scalar: vòng hở, vòng kín dùng cảm biến và vòng kín không cảm biến.
  • Phương pháp điều khiển vector:
    • Điều khiển RFOC: Phân tích chi tiết mô hình vector không gian. Thành phần $i_{sd}$ duy trì từ thông rotor $\psi_{rd}$, thành phần $i_{sq}$ điều khiển mô-men $T_e$. Hằng số thời gian rotor $T_r = L_r / R_r$ chi phối động học từ thông. Trình bày ba phương pháp ước lượng từ thông rotor: dòng điện - tốc độ $(I_s, \omega_{er})$, dòng điện - điện áp $(I_s, U_s)$, và dòng điện - điện áp - tốc độ $(I_s, U_s, \omega_{er})$.
    • Điều khiển SFOC: Thiết lập phương trình từ thông và dòng điện stator; chỉ ra việc điều khiển từ thông và mô-men có sự ràng buộc nhất định nhưng cấu trúc ước lượng đơn giản hơn RFOC do chỉ phụ thuộc vào thông số stator ($R_s$).
    • Điều khiển trực tiếp mô-men (DTC): Điều khiển góc lệch $\delta$ giữa vector từ thông stator và rotor qua bảng tra (look-up table), loại bỏ khâu điều chế PWM nhưng gây đập mạch từ thông và mô-men lớn.
    • Điều khiển vector không cảm biến: Ước lượng vận tốc dựa trên vector suất điện động stator $e_s$; chỉ ra sai số ước lượng lớn ở vùng vận tốc thấp do biên độ $e_s$ nhỏ.
  • Điều khiển hệ phi tuyến dùng mạng nơ-ron: Trình bày nguyên lý cấu trúc mạng truyền thẳng 3 lớp, thuật toán lan truyền ngược cập nhật trọng số trực tuyến, cấu trúc nhận dạng mô hình thuận và mô hình ngược, hệ thống điều khiển mô hình nội (IMC) với chứng minh tính miễn nhiễu hoàn toàn khi $G_R(s) = 1, G_N(s) = 0$, và hệ thống điều khiển theo mô hình chuẩn (MRAC).
  • Lý thuyết điều khiển trượt (SMC): Thiết lập phương trình trạng thái $\dot{x} = Ax + bu$, mặt trượt $s(x) = C^T x$, luật điều khiển $u(t) = J [-\ddot{\theta}_d + c\dot{e} - \varepsilon\text{sign}(s)]$. Phân tích bản chất hiện tượng chattering do hàm $\text{sign}(s)$ gây đổi dấu liên tục khi quỹ đạo pha chạm mặt trượt $s = 0$. Điểm lại 8 công trình tiêu biểu từ năm 2003 đến 2015 nghiên cứu giải pháp giảm chattering (dùng hệ mờ, mạng nơ-ron, vùng biên, mặt trượt PID, logic mờ, trượt bậc cao, vector gián tiếp và luật tiệm cận).

Chương 2: Giảm điện áp Common-Mode cho biến tần đa bậc

Chương 2 giới thiệu ba phương pháp điều chế sóng mang mới áp dụng cho bộ nghịch lưu đa bậc kiểu cascade nối tầng, nhằm giảm điện áp common-mode ($V_{CM}$), giảm hàm lượng sóng hài và giảm số lần đóng ngắt các khóa công suất IGBT.

  • Cấu trúc biến tần cascade và điện áp Common-Mode: Khảo sát bộ nghịch lưu cascade 1 pha và 3 pha 9 bậc gồm các cầu H nối tiếp, tạo ra 9 mức điện áp từ $-4V_{dc}$ đến $+4V_{dc}$. Tín hiệu điều khiển $g(t) \in [-1, +1]$ được quy đổi thành $G(t)$, phân tách thành phần nguyên $L_x = \text{fix}(G(t))$ và phần dư $\xi_x$.
Trạng thái khóa $S_{1a}, S_{2a}, S_{3a}, S_{4a}, S_{5a}, S_{6a}, S_{7a}, S_{8a}$ Điện áp ra pha a
0 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1 $-4V_{dc}$
1 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0 $-3V_{dc}$
2 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0 $-2V_{dc}$
3 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0 $-1V_{dc}$
4 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 $0V_{dc}$
5 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 $+1V_{dc}$
6 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0 $+2V_{dc}$
7 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0 $+3V_{dc}$
8 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0 $+4V_{dc}$

  • Ba phương pháp điều chế sóng mang đề xuất:

    1. Điều chế pha (PM): Góc pha của sóng mang $e_{PM}(t)$ biến thiên tỉ lệ thuận với tín hiệu điều khiển $g(t)$ theo chỉ số điều chế $m_p$. Sóng mang chuẩn hóa $V_{PM}(t)$ ở tần số 1 kHz, $m_p = 10$ cho biên độ phổ 0,35 và độ méo hài THD của sóng mang là 3,2% (so với 10,2% khi chưa điều chế).
    2. Điều chế dịch chuyển pha (PSK): Tín hiệu sóng mang $e_{PSK}(t)$ bị đảo pha $\pm 180^\circ$ theo hàm phân cực $d(t) = \pm 1$ phụ thuộc vào dấu của $g(t)$. Sóng mang chuẩn hóa $V_{PSK}(t)$ ở tần số 1 kHz cho biên độ phổ 0,42 và THD đạt 12,5%.
    3. Điều chế tần số (FM): Tần số sóng mang biến thiên theo tích phân tín hiệu điều khiển: $$e_{FM}(t) = A_c \cos\left(\omega_c t + \frac{\Delta\omega}{E_m}\int g(t)dt\right) = A_c \cos(\omega_c t + m_f \omega_m \int g(t)dt)$$ Phổ sóng mang được phân tích qua chuỗi hàm Bessel $J_n(m_f)$. Điện áp common-mode $V_{CM}$ giảm từ $\pm 2V_{dc}/3$ (khi chưa điều chế) xuống còn $\pm V_{dc}/3$ (khi điều chế FM), THD điện áp tải đạt 0,35%.

  • Giải thuật giảm số lần chuyển mạch: Đề xuất bổ sung hàm offset $\xi_o$ vào sóng sau điều chế: $$\xi_o = \begin{cases} 1 - \max(\xi_x) & \text{khi } F_L = \frac{3(n-1)}{2} - 2 \ -\min(\xi_x) & \text{khi } F_L = \frac{3(n-1)}{2} - 1 \ 0 & \text{ngoài ra} \end{cases}$$ Với $n = 9$, việc áp dụng hàm offset giúp giảm số lần đóng ngắt các khóa IGBT trong một chu kỳ từ 50 lần xuống còn 37 lần, đồng thời giảm THD điện áp tải xuống mức 0,28%.

  • Kiểm chứng mô phỏng và thực nghiệm: Thực hiện trên bộ biến tần cascade 9 bậc với tải trở cảm ($R = 45\ \Omega, L = 50\text{ mH}$), kiểm chứng trong toàn bộ dải biên độ điều chế $E_m$ từ 0 đến 1.

Chương 3: Điều khiển thích nghi bền vững cho động cơ ba pha không đồng bộ

Chương 3 tập trung xây dựng, mô phỏng và thử nghiệm thực nghiệm các giải thuật điều khiển thích nghi bền vững trên mô hình tọa độ $d-q$ tựa theo từ thông stator:

  1. Phương pháp điều khiển trên cơ sở PID (đối chứng):

    • Thiết lập mạch vòng kép: vòng ngoài điều khiển tốc độ $\omega_r$, vòng trong điều khiển từ thông $\psi_{sd}$ và dòng điện $i_{sq}$.
    • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên DSP TMS320F28335 ở chế độ không tải và có tải định mức tại $\omega_{ref} = 150\text{ rad/s}$ cho thấy bộ điều khiển PID có thời gian quá độ dài, sai số xác lập tăng khi có biến thiên tham số điện trở và mô-men tải.

  2. Phương pháp điều khiển dùng mô hình nội (IMC):

    • Ứng dụng mạng nơ-ron nhận dạng mô hình thuận và ngược kết hợp khâu ước lượng từ thông stator.
    • Thuật toán thích nghi cập nhật trọng số trực tuyến trên card DSP.
    • Kết quả: Hệ thống có khả năng triệt tiêu sai số xác lập, đáp ứng từ thông $\psi_{sd}$ và tốc độ $\omega_r$ bám sát giá trị đặt, khử nhiễu đo lường hiệu quả hơn so với bộ điều khiển PI truyền thống.

  3. Ba phương pháp điều khiển trượt (SMC) cải tiến:

    • Điều khiển trượt trên cơ sở mạng hàm cơ sở xuyên tâm (RBF): Sử dụng mạng RBF để xấp xỉ trực tuyến các thành phần phi tuyến chưa biết và nhiễu của động cơ. Trọng số mạng được hiệu chỉnh thích nghi theo tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Giải thuật loại bỏ hiện tượng chattering quanh mặt trượt và triệt tiêu dao động dòng điện $i_{sa}$.
    • Điều khiển trượt trên cơ sở mạch lọc thông thấp: Tín hiệu điều khiển gián đoạn được xử lý qua bộ lọc thông thấp để làm mịn luật điều khiển, đồng thời khảo sát thay thế hàm $\text{sign}(s)$ bằng hàm trơn $\tanh(s/\epsilon)$. Kết quả mô-men đo $T_m$ bám sát mô-men đặt $T_m^*$ mà không phát sinh rung lắc chattering.
    • Điều khiển trượt với mô hình ước lượng vận tốc: Xây dựng mô hình danh định (nominal model) kết hợp khâu bù thành phần nhiễu $d(t)$. Mô hình ước lượng giúp hệ thống duy trì độ chính xác bám vận tốc ở cả dải tốc độ thấp (3 rad/s) và dải tốc độ định mức (150 rad/s), đảm bảo tính ổn định bền vững khi điện trở stator và rotor tăng $1,5$ lần.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 tổng hợp các kết quả thực nghiệm thu thập từ hệ thống phần cứng sử dụng card DSP TMS320F28335 kết hợp biến tần cascade 7 bậc và động cơ không đồng bộ 1 HP.

  • Đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật: So sánh định lượng giữa 5 giải thuật điều khiển (PID, IMC, SMC-RBF, SMC lọc thông thấp, SMC ước lượng vận tốc).
  • Tính bền vững: Khi tham số điện trở $R_s, R_r$ tăng $150%$ so với giá trị danh định và chịu tác động của mô-men tải thay đổi đột ngột, các cấu trúc SMC cải tiến và IMC duy trì sai số bám vận tốc trong giới hạn cho phép (sai số phép đo $\pm \Delta = \pm 1%$), trong khi bộ điều khiển PID bị lệch tĩnh lớn và dao động kéo dài.
  • Chất lượng điện áp và dòng điện: Kỹ thuật điều chế sóng mang kết hợp thuật toán offset làm giảm biên độ điện áp common-mode, giảm số lần chuyển mạch và giữ dạng sóng dòng điện $i_{sa}$ hình sin chuẩn, không bị biến dạng do chattering.
Phương pháp điều khiển Khả năng giảm Chattering Độ bền vững khi $R_s, R_r$ tăng 1,5 lần Đáp ứng bám tốc độ $\omega_r$ Độ phức tạp tính toán trên DSP
PID truyền thống Không có mặt trượt Kém (sai số lớn khi có tải/nhiễu) Chậm, có độ vọt lố Rất thấp
Mô hình nội (IMC - NN) Không áp dụng SMC Tốt (nhờ mạng nơ-ron học on-line) Tốt, triệt tiêu sai số xác lập Trung bình
SMC mạng RBF Cao (triệt tiêu chattering) Rất tốt (ước lượng phi tuyến) Nhanh, chính xác Cao
SMC lọc thông thấp Cao (nhờ làm mịn hàm sign/tanh) Tốt Nhanh, mô-men êm Trung bình
SMC ước lượng vận tốc Cao (nhờ mô hình danh định) Rất tốt (bù nhiễu $d(t)$ trực tiếp) Rất tốt từ 3 đến 150 rad/s Trung bình - Cao

Chương 5: Kết luận

Tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính, khẳng định các đóng góp khoa học mới của luận án và nêu định hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  1. Đề xuất ba phương pháp điều chế sóng mang mới cho biến tần đa bậc gồm điều chế pha (PM), điều chế dịch chuyển pha (PSK) và điều chế tần số (FM). Các phương pháp này đưa trực tiếp thông tin của tín hiệu điều khiển vào sóng mang, cho phép kiểm soát sóng mang theo biên độ, tần số và pha của tín hiệu điều khiển.
  2. Xây dựng giải thuật offset tối ưu $\xi_o$ cho biến tần cascade đa bậc, giúp giảm số lần chuyển mạch của linh kiện bán dẫn công suất trong một chu kỳ từ 50 lần xuống 37 lần, giảm tổn hao đóng ngắt và giảm độ méo dạng sóng hài tổng (THD) của điện áp tải xuống 0,28%.
  3. Phát triển cấu trúc điều khiển thích nghi bền vững cho động cơ ba pha không đồng bộ sử dụng mô hình nội (IMC) trên cơ sở định hướng vector từ thông stator (SFOC), kết hợp mạng nơ-ron nhận dạng trực tuyến và chứng minh tính ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov.
  4. Đề xuất ba giải thuật điều khiển trượt (SMC) cải tiến trên nền tảng SFOC kết hợp biến tần đa bậc:
    • SMC dựa trên mạng RBF để xấp xỉ các thành phần bất định phi tuyến.
    • SMC dựa trên bộ lọc thông thấp và hàm trơn $\tanh$ để loại bỏ dao động chattering.
    • SMC dựa trên mô hình danh định ước lượng vận tốc và bù nhiễu $d(t)$.

Đóng góp về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Thiết kế hoàn chỉnh phần cứng và lập trình nhúng thời gian thực các thuật toán điều khiển trên card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 phối ghép cùng bộ biến tần cascade 7 bậc và động cơ 1 HP (380 V, 50 Hz, 150 rad/s).
  2. Triệt giảm biên độ điện áp common-mode từ $\pm 2V_{dc}/3$ xuống còn $\pm V_{dc}/3$, hạn chế nguy cơ phóng điện cưỡng bức qua ổ bi động cơ do hiệu ứng EMC, góp phần kéo dài tuổi thọ cơ khí cho hệ truyền động công nghiệp.
  3. Hệ thống điều khiển thực nghiệm vận hành ổn định, đảm bảo khả năng bám vận tốc chính xác trong dải từ 3 rad/s đến 150 rad/s và duy trì tính bền vững khi tham số điện trở stator và rotor thay đổi đến 1,5 lần giá trị danh định.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Các kiểm chứng thực nghiệm được thực hiện trên đối tượng động cơ công suất nhỏ (1 HP - 380 V - 50 Hz - 150 rad/s) và cấu hình biến tần cascade 7 bậc.
  • Dải tốc độ khảo sát thực nghiệm đạt từ 3 rad/s đến 150 rad/s, chưa đi sâu khảo sát thực nghiệm ở vùng vận tốc zero hoặc dải siêu thấp trong chế độ không cảm biến vận tốc.
  • Thuật toán cập nhật trọng số mạng nơ-ron trực tuyến và mạng RBF đòi hỏi dung lượng bộ nhớ và năng lực tính toán tương đối lớn của bộ xử lý DSP.

Hướng nghiên cứu phát triển

  • Mở rộng ứng dụng các giải thuật điều chế giảm điện áp CM (PM, PSK, FM) và điều khiển trượt thích nghi cho các cấu trúc biến tần đa bậc khác như biến tần tụ bay (Flying Capacitor - FC) hoặc biến tần diode kẹp (Neutral Point Clamped - NPC).
  • Nghiên cứu tối ưu hóa thuật toán nhận dạng nơ-ron để giảm tải tính toán cho chip DSP khi áp dụng trên các hệ truyền động công suất lớn trong công nghiệp.
  • Mở rộng dải làm việc của hệ thống điều khiển không cảm biến tốc độ ở vùng vận tốc gần 0 rad/s.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống điện, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện tử công suất.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D): Các kỹ sư thiết kế phần cứng biến tần đa bậc, lập trình nhúng trên vi xử lý DSP cho hệ truyền động biến tốc công nghiệp.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu

  • Chương 2: Kỹ thuật điều chế sóng mang PM, PSK, FM và thuật toán bù hàm offset $\xi_o$ nhằm triệt giảm điện áp common-mode và tối ưu hóa số lần chuyển mạch cho biến tần cascade đa bậc.
  • Chương 3 & 4: Các phương pháp thiết kế luật điều khiển trượt giảm chattering (dùng mạng RBF, bộ lọc thông thấp, mô hình danh định) trên cơ sở định hướng vector từ thông stator (SFOC) cùng quy trình lập trình nhúng thời gian thực trên card DSP TMS320F28335.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao luận án lựa chọn điều khiển định hướng vector từ thông stator (SFOC) thay vì từ thông rotor (RFOC)?

Điều khiển RFOC phụ thuộc vào hầu hết các tham số máy điện (đặc biệt là điện trở rotor $R_r$, độ tự cảm $L_r, L_m$), dẫn đến việc thiết kế bộ điều khiển thích nghi và bền vững rất phức tạp khi nhiệt độ thay đổi làm biến thiên $R_r$. Ngược lại, SFOC chỉ yêu cầu các tham số về điện áp stator, dòng điện stator và điện trở stator $R_s$, do đó việc ước lượng và thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững trở nên đơn giản và thuận tiện hơn.

2. Ba kỹ thuật điều chế sóng mang mới đề xuất trong luận án có nguyên lý và hiệu quả như thế nào trong việc giảm điện áp Common-Mode?

Ba kỹ thuật gồm điều chế pha (PM), điều chế dịch pha (PSK) và điều chế tần số (FM). Nguyên lý chung là biến đổi pha hoặc tần số của sóng mang theo biên độ tín hiệu điều khiển $g(t)$, giúp sóng mang chứa đầy đủ thông tin của tín hiệu điều khiển. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp điều chế FM giúp giảm biên độ điện áp CM từ $\pm 2V_{dc}/3$ xuống còn $\pm V_{dc}/3$, đồng thời giảm độ méo hài tổng THD của điện áp tải.

3. Thuật toán offset giảm số lần chuyển mạch hoạt động ra sao và mang lại kết quả định lượng nào?

Thuật toán bổ sung hàm offset $\xi_o$ (xác định dựa trên giá trị cực đại và cực tiểu của phần dư $\xi_x$ cùng biến trạng thái $F_L$) trừ trực tiếp vào sóng sau điều chế của biến tần cascade 9 bậc. Thuật toán giúp giảm số lần đóng ngắt các khóa IGBT trong một chu kỳ từ 50 lần xuống còn 37 lần, giảm tổn hao đóng ngắt linh kiện và đưa THD điện áp tải về mức 0,28%.

4. Ba giải thuật điều khiển trượt (SMC) mới khắc phục hiện tượng dao động quanh mặt trượt (chattering) bằng những cơ chế nào?

  • SMC dựa trên mạng RBF: Dùng mạng nơ-ron RBF xấp xỉ liên tục các hàm phi tuyến bất định để thay thế thành phần gián đoạn biên độ lớn.
  • SMC dựa trên bộ lọc thông thấp: Đưa tín hiệu điều khiển qua mạch lọc để làm mịn tín hiệu và thay thế hàm $\text{sign}(s)$ bằng hàm phi tuyến trơn $\tanh(s/\epsilon)$.
  • SMC với mô hình ước lượng vận tốc: Sử dụng mô hình danh định để bám sát động học và thiết kế khâu bù nhiễu $d(t)$ trực tiếp, ngăn ngừa hiện tượng vượt quá mặt trượt.

5. Cấu hình phần cứng và dải thông số làm việc trong phần thực nghiệm của luận án là gì?

Phần thực nghiệm sử dụng card DSP TMS320F28335 (tần số 150 MHz), biến tần cascade 7 bậc và động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc 1 HP (380 V, 50 Hz, 150 rad/s). Hệ thống được kiểm chứng hoạt động ổn định và bám vận tốc đặt trong dải từ 3 rad/s đến 150 rad/s, giữ vững tính ổn định khi điện trở $R_s, R_r$ tăng $1,5$ lần danh định và có nhiễu tải tác động.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Vinh Quan đã giải quyết trọn vẹn bài toán điều khiển thích nghi bền vững cho động cơ ba pha không đồng bộ trên cơ sở tựa hướng vector từ thông stator (SFOC) kết hợp bộ biến tần cascade đa bậc. Công trình đóng góp ba kỹ thuật điều chế sóng mang mới (PM, PSK, FM) cùng giải thuật offset giúp triệt giảm điện áp common-mode và số lần chuyển mạch, đồng thời phát triển các giải thuật điều khiển mô hình nội và điều khiển trượt cải tiến triệt tiêu hiện tượng chattering. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên card DSP TMS320F28335 đối với động cơ 1 HP đã chứng minh tính ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov và khả năng duy trì chất lượng bám tốc độ trong dải từ 3 rad/s đến 150 rad/s ngay cả khi tham số điện trở máy điện tăng $1,5$ lần.