Luận án Tiến sĩ Điều khiển thích nghi hệ truyền động động cơ không đồng bộ sáu pha

Trong những thập kỷ gần đây, việc nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển, nhận dạng trong các hệ truyền động không cảm biến tốc độ nhiều pha nói chung và động cơ không đồng bộ sáu pha không đối xứng (SPIM) nói riêng nhận được sự quan tâm rất lớn từ các nhà nghiên cứu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH PHẠM THÚY NGỌC ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SÁU PHA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH- 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH PHẠM THÚY NGỌC ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SÁU PHA Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hoá Mã số: 9520216 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN HỮU KHƯƠNG TS TRẦN THANH VŨ TP HỒ CHÍ MINH- 2019 I LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài: “Điều khiển thích nghi hệ truyền động động khơng đồng sáu pha” cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa công bố nghiên cứu Tất tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2019 Nghiên cứu sinh Phạm Thúy Ngọc II LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến người Thầy tôi: PGS.TS Nguyễn Hữu Khương, TS Trần Thanh Vũ – Cùng Thầy Hội Đồng Khoa Học Trường Đại học Giao Thơng Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh tận tâm dành thời gian hướng dẫn cho tơi ý kiến đóng góp q báu giúp tơi hồn thành tốt luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện đào tạo sau đại học, Khoa Điện_ĐTVT, phòng ban chức tạo điện kiện hỗ trợ, giúp đỡ suốt thời gian học tập trường Tôi xin cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, lãnh đạo đồng nghiệp Khoa Công Nghệ Điện Trường Đại học Cơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, nhà khoa học, chuyên gia cho ý kiến đóng góp giúp tơi hồn thành luận án Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn tới Bố, Mẹ tôi, người hy sinh thầm lặng ln dành tình u thương cho tơi, tới gia đình nhỏ, chồng hai gái thân yêu tôi, người tin tưởng, động viên giúp vượt qua khó khăn để hồn thành luận án Cuối cùng, xin gửi lời tri ân tới người bạn lớn, người Thầy, người đồng hành, chia sẻ khó khăn tơi, người mà thái độ làm việc, nghiên cứu khoa học nghiêm túc đạo đức sống mẫu mực gương để phấn đấu noi theo, động lực để hướng tới sống tốt đẹp, cống hiến cho nghiên cứu khoa học hoạt động có ích cho cộng đồng Một lần xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2019 Nghiên cứu sinh Phạm Thúy Ngọc III TÓM TẮT Trong thập kỷ gần đây, việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển, nhận dạng hệ truyền động không cảm biến tốc độ nhiều pha nói chung động khơng đồng sáu pha khơng đối xứng (SPIM) nói riêng nhận quan tâm lớn từ nhà nghiên cứu Các nghiên cứu hệ truyền động SPIM cho thấy, bên cạnh ưu điểm vượt trội so với hệ truyền động không đồng ba pha, hệ truyền động SPIM phải đối mặt với vấn đề điều khiển hệ truyền động ba pha truyền thống tính chất phi tuyến SPIM, thơng số khơng chắn, nhiễu tải,… Thậm chí vấn đề điều khiển hệ truyền động SPIM phức tạp có gia tăng số pha Trong luận án này, tác giả đề xuất cấu trúc điều khiển phi tuyến kết hợp điều khiển Backstepping điều khiển cổng Hamiltonian (BS_PCH) nhằm cải tiến chất lượng điều khiển vector (IFOC) hệ truyền động SPIM Bộ điều khiển tốc độ vòng ngồi hệ truyền động SPIM đề xuất sử dụng BS cải tiến bổ sung thêm thành phần tích phân sai số theo dõi để tăng độ xác cải thiện tính bền vững điều khiển Bộ điều khiển PCH đề xuất cho điều khiển dòng vòng để tăng khả bám đuổi theo tham chiếu, tốc độ đáp ứng đảm bảo tính ổn định, bền vững trước thay đổi tham số máy điện, nhiễu tải,… Trên thực tế, biết, điều khiển đảm bảo chất lượng điều khiển tốt cho điều khiển không cảm biến tốc độ hệ truyền động SPIM không sử dụng quan sát trạng thái phù hợp xác Đã có nhiều ý từ nhà nghiên cứu để cải thiện chất lượng quan sát, nâng cao chất lượng hệ truyền động SPIM không cảm biến tốc độ Trong số kỹ thuật đề xuất, MRAS chiến lược phổ biến việc thực đơn giản đòi hỏi nỗ lực tính tốn thấp Các quan sát dựa MRAS áp dụng thành công khu vực tốc độ trung bình cao, nhiên, hoạt động dải tốc độ thấp tốc độ không thách thức lớn Vấn đề liên quan đến độ nhạy thông số máy điện, sai số nhiễu đo lường đo dòng điện áp stator, vấn đề tích phân túy , Do đó, luận án đưa đề xuất thứ hai để cải thiện chất lượng quan sát tốc độ, nhận dạng từ rotor, đặc biệt vùng tốc độ thấp tốc độ gần không Trong quan sát tốc độ thích nghi dựa mơ hình tham chiếu dòng IV stator cải tiến sử dụng mạng nơ ron mơ hình trượt (NNSM_SC MRAS) đề xuất: Thứ nhất, tác giả đề xuất quan sát tốc độ dựa mơ hình tham chiếu dòng stator (SC_MRAS), MRAS dòng thành phần dòng điện stator đo sử dụng trực tiếp làm mô hình tham chiếu để tránh vấn đề tích phân túy ảnh hưởng thay đổi tham số động Mơ hình thích nghi quan sát đề xuất sử dụng mạng nơ ron tuyến tính Adaline với thuật tốn LS để ước tính tốc độ rotor Giải thuật LS đơn giản hoàn toàn phù hợp với toàn ước lượng tốc độ hàm ước lượng thực tế xem hàm tuyến tính Đề xuất nhằm giảm nỗ lực tính tốn khắc phục số nhược điểm gây tính phi tuyến sử dụng giải thuật phi tuyến BPN nghiên cứu đề xuất trước Thứ hai, quan sát dòng đề xuất làm việc chế độ dự báo thay chế độ mơ nghiên cứu công bố, dẫn đến hội tụ nhanh thuật toán, sai số ước lượng tốc độ thấp trạng thái độ xác lập Thứ ba, nhận dạng từ thông rotor để cung cấp cho mơ hình thích nghi dòng điều khiển đề xuất sử dụng SM Bộ nhận dạng từ thông thiết kế dựa điều kiện ổn định Lyapunov Điện trở stator ước lượng cập nhật online cho ước lượng dòng stator điều khiển BS_PCH để giảm ảnh hưởng thay đổi thơng số máy (RS) đến q trình ước lượng điều khiển tốc độ Các giải pháp cải thiện độ xác ổn định nhận dạng từ thơng rotor, cải thiện độ xác tốc độ ước tính, chất lượng điều khiển hệ truyền động, đặc biệc tần số làm việc thấp Cuối cùng, tác giả đề xuất sử dụng Euler điều chỉnh tăng thêm biến trạng thái đầu vào để tăng độ xác cho quan sát dòng mơ hình thích nghi quan sát Mặt khác, hệ truyền động sử dụng SPIM, việc sử dụng biến tần nguồn áp sáu pha lựa chọn tất yếu nguồn sáu pha khơng có sẵn Các phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) cho biến tần nguồn áp sáu pha gây xung điện áp common mode cao Mục tiêu điều khiển điện áp biến tần triệt tiêu ảnh hưởng bất lợi gây điện áp common mode, tức giảm điện áp common mode mức thấp triệt tiêu chúng zero Vì vậy, để nâng cao chất lượng hệ truyền động SPIM, luận án đề xuất kỹ thuật điều rộng xung sóng mang làm giảm điện áp common mode (Reduced Common mode Voltage -RCMV) áp dụng cho hệ truyền động SPIM Kỹ thuật sóng mang đề xuất V đơn giản đòi hỏi khối lượng tính tốn ít, dễ dàng phát triển trường hợp mở rộng kỹ thuật PWM cho biến tần đa bậc biến tần nhiều pha Phương pháp có hiệu kinh tế cao, điện áp common mode giảm kiểm soát thành công phạm vi ±Vd/6 Việc kết hợp thành công quan sát NNSM_SC_MRAS cấu trúc điều khiển phi tuyến BS_PCH, giải thuật giảm điện áp common mode cho điều khiển vector không sử dụng cảm biến tốc độ hệ truyền động SPIM góp phần nâng cao chất lượng điều khiển tổng thể hệ thống, làm gia tăng khả bám đuổi theo tín hiệu đặt, độ ổn định, bù đắp cho không chắn gây độ nhạy tham số SPIM, lỗi đo lường nhiễu tải Ứng dụng hệ truyền động đề xuất kết hợp điều khiển BS_PCH, quan sát tốc độ NNSM_SC _MRAS giải thuật giảm điện áp common mode cho hệ thống đẩy xe điện thực tác giả trình bày luận án Các kết thu cho thấy hệ thống truyền động đề xuất đáp ứng tốt yêu cầu hệ thống đẩy xe điện Kết cho phép thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng thực tế hệ truyền động SPIM cho phương tiện thiết bị ngành giao thông vận tải lĩnh vực công nghiệp, v v… Bên cạnh việc trình bày, dẫn giải lý thuyết, mô sử dụng MATLAB/ Simulink thực Các kết mô chiến lược đề xuất so sánh với phương pháp truyền thống phương pháp đại công bố gần để chứng minh tính hiệu giải pháp đề xuất Từ khóa: Hệ truyền động động khơng đồng sáu pha, điều khiển thích nghi, MRAS, quan sát tốc độ MRAS dòng stator, nhận dạng từ thông sử dụng SM, điều khiển phi tuyến BS_PCH VI Abstract In recent decades, the improvement of the control and identification system in the six phase induction motor (SPIM) drives have received great attention from the researchers SPIM drive studies show that, besides, the outstanding advantages compared to three phase induction motor drive, SPIM drives also face the control problems as in the traditional three phase induction motor drives due to the nonlinearity of SPIM, uncertain parameters, load noise, etc Even the problems of the control of SPIM drives are more complicated due to the increase in number of phases of SPIM In this thesis, the author proposes a new nonlinear control structure that combines the Backstepping control and the Port Controlled Hamiltonian (BS_PCH) to improve the performance of the vector control system (IFOC) in the SPIM drives The outer speed and flux loop controllers design is based on the BS technique using the integral tracking errors action to increase the accuracy and improve its robustness To enhance more the performance of SPIM drives, the PCH scheme is proposed for inner current control loop to improve performance and ensure the stability, accuracy speed response for the drive system, enhance the robustness for the sensitivity of changes in machine parameters, load disturbance,… In fact, as we knew that the control techniques for the sensorless control for SPIM drives can not guarantee good performances without the use of accurate and suitable state observer There has been a lot of attention from researchers to improve the performance of the observers Among the proposed techniques, MRAS are the most common strategy due to their low computational effort and simplicity However, these MRAS based on observers have been successfully applied in medium and high speed region, but low and zero speed operation is still a large challenge This is related to the machine parameter sensitivity (specially stator resistance), flux pure integration problems, stator voltage and current acquisition problems and inverter nonlinearity, Therefore, the thesis give the second proposal to improving the quality of the speed observer, rotor flux identifier, especially at low and near zero speed region In the novel version of the stator current model reference adaptive system based on speed observer using neural networks and sliding mode (NNSM_SC_MRAS) for sensorless VII vector control of the SPIM drives is proposed: First, in order to avoid the effect of a pure integrator and influence of motor parameter variations, the measured stator current components are used as the reference model The adaptive model of the proposed observer uses a two layer linear neural network, which is trained online by a linear LS algorithm, this LS algorithm is simple and perfectly suitable for the speed estimation when the speed estimation function is considered to be a linear function This proposal is intended to reduce computational effort and overcome some of the disadvantages caused by nonlinearity when using the BPN nonlinear algorithm in the previously proposed studies This significantly improves the performance of the proposed observer Second, the adaptive model is implemented in the prediction mode This improvement ensures the proposed observer operate better accuracy and stability Third, a rotor flux identifier, which is needed for the stator current estimation of the adaptive model and controllers, is proposed based on SM The gains are designed based on stability conditions of Lyapunov theory In addition, Rs stator resistance value of SPIM is also estimated and update online to stator current estimator and BS_PCH controller These solutions improve the rotor flux estimation accuracy, and consequently, the speed estimation accuracy at very low stator frequency operation Finally, the modified Euler integration has been used in the adaptive model to solve the instability problems due to the discretization of the rotor equations of the machine enhance the performance of observer On the other hand, in the SPIM drives, the use of a six phase voltage voltage source inverter (SPVSI) is an inevitable option because a six phase source is not available The pulse width modulation (PWM) methods for SPVSI cause high common mode voltage, so to improve the quality of the drives, the goal of the voltage control is to eliminate the adverse effects caused by common mode voltage, which means reducing common mode voltage to the lowest possible level or eliminating them by zero Therefore, the thesis proposes a novel carrier pulse modulation technique to reduce common mode voltage for the six phase voltage source inverter of the SPIM drive, This new proposed technique is simple, efficient, requires little computational volume, and easy to apply when expanding PWM techniques for power conversion systems such as multi-level inverter or multi-phase inverter This VIII method is highly economical, common mode voltage is reduced and successfully controlled in the range Vd/6 The successful combination of NNSM_SC_MRAS adaptive speed observer, BS_PCH nonlinear control structure and common mode voltage reduction algorithm has contributed to improving control quality for sensorless vector control of SPIM drive, increases stability, compensates for the uncertainty caused by SPIM parameter variations, measurement errors and external load disturbance The application of the proposed SPIM drive for electric propulsion system of electrical vehicle (EV) has been also carried out and presented in the thesis The results show that the proposed SPIM drive met very well the requirements of the electric propulsion system of EV This result enables the promotion of practical applications of the proposed SPIM drive for equipment in the field of transportation, as well as in industrial applications, Besides, the presentation and interpretation of the theory, the simulations using MATLAB / Simulink were also carried out The proposed strategy simulation results are compared with the traditional methods and the recently published modern methods to prove the effectiveness of the proposed solutions Key words: Six phase induction motor drive, adaptive control, Stator current MRAS based on speed observer, Rotor flux identifier using sliding mode, BS_PCH nonlinear control ... nghi n cứu hệ truyền động SPIM cho thấy, bên cạnh ưu điểm vượt trội so với hệ truyền động không đồng ba pha, hệ truyền động SPIM phải đối mặt với vấn đề điều khiển hệ truyền động ba pha truyền thống... Kết luận Luận án xây dựng thành công cấu trúc điều khiển ước lượng tốc độ cho điều khiển vector không cảm biến hệ truyền động SPIM dựa điều khiển thích nghi, kỹ thuật điều khiển phi tuyến điều khiển. .. (FOC) cho hệ truyền động SPIM 54 3.2.1 Nguyên lý điều khiển FOC 55 3.2.2 Bộ điều khiển PI cho điều khiển vector hệ truyền động SPIM .60 3.3 Cấu trúc điều khiển phi tuyến điều khiển vector