Điều khiển thích nghi bền vững động cơ ba pha không đồng bộ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VINH QUAN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VINH QUAN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ Chuyên ngành: Mã số chuyên ngành: Mạng Hệ thống điện 62525005 Phản biện độc lập 1: PGS.TS NGUYỄN CHÍ NGƠN Phản biện độc lập 2: PGS.TS NGUYỄN HÙNG Phản biện 1: TS HUỲNH VĂN VẠN Phản biện 2: TS NGUYỄN VŨ QUỲNH Phản biện 3: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH TUYÊN LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả, kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức nào.Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả Chữ ký i TÓM TẮT LUẬN ÁN Điều khiển định hướng vector từ thơng rotor dựa nhiều vào tham số máy điện, điều dẫn đến độ phức tạp thiết kế điều khiển, tính thích nghi bền vững hệ thống, điều khiển định hướng vector từ thông stator yêu cầu tham số điện áp stator, dòng điện stator, điện trở stator, dễ dàng để thiết kế điều khiển thích nghi bền vững định hướng vector từ thơng rotor Luận án trình bày phương pháp thiết kế điều khiển thích nghi bền vững cho động ba pha không đồng loại rotor lồng sóc: 1HP-380V-50Hz-150 rad/s, sở định hướng vector từ thông stator, kết hợp biến tần cascade bậc với giải thuật giảm điện áp common-mode Mà cụ thể là: + Đề xuất ba phương pháp để giảm điện áp common- mode cho biến tần đa bậc: a) Điều chế pha - PM b) Điều chế dịch chuyển pha - PSK c) Điều chế tần số - FM + Điều khiển thích nghi bền vững động ba pha khơng đồng dùng mơ hình nội + Đề xuất ba phương pháp điều khiển trượt cho động ba pha không đồng bộ, giải thuật giảm dao động quanh mặt trượt, nhận dạng tốc độ động sử dụng mạng nơ-ron ổn định hệ thống có nhiễu: a) Điều khiển trượt sở mạng xuyên tâm b) Điều khiển trượt sở mạch lọc thông thấp c) Điều khiển trượt với mơ hình ước lượng vận tốc Phần mơ thực nghiệm thể matlab/simulink, áp dụng lý thuyết Lyapunov để kiểm nghiệm tính ổn định cho hệ điều khiển, kết thực nghiệm thu thập từ card DSP 320F28335 Kết so sánh với điều khiển PID ii ABSTRACT Rotor-Flux-Oriented Control depends upon many parameters of an induction motor In contrast, Stator-Flux-Oriented Control requires fewer parameters of an induction motor, i.e stator voltage, stator current, and stator resistance Hence, it would be straightforward to design a robust adaptive controller for a three-phase induction motor Therefore, the thesis presents a new method of designing a robust adaptive controller for a three-phase squirrel-cage induction motor with a nameplate specification as 1HP380V-50Hz-150 rad/s This robust adaptive controller is based on the Stator-FluxOriented control since it has the merit of utilizing fewer parameters of an induction motor in comparison to the Rotor-Flux-Oriented Control The robust adaptive controller is then implemented on a seven-level cascaded H-bridge inverter with common-mode voltage reduction to enhance the performance of the controller In particular, the contents of the thesis are briefly described below: + Firstly, three new methods to reduce common-mode voltage for multi-level inverters are proposed They are then implemented on a seven-level cascaded H-bridge inverter a) Phase Modulation-PM b) Phase Shift Keying-PSK c) Frequency Modulation-FM + Secondly, the design of a Robust Adaptive Controller for a three-phase induction motor by using internal models are presented + Thirdly, three new sliding mode control methods for a three-phase induction motor are proposed with the aim of reducing oscillation around the slide surface, motor speed identification using neural network, and system stability with noise a) Sliding Mode Control based on RBF network b) Sliding Mode Control based on low pass filter c) Sliding control based on nominal model + Finally, Simulation and Experimental results are obtained from matlab/simulink In addition, Lyapunov theory is applied to test the stability control system Specifically, Experimental results are collected from the DSP TMS320F28335 card and are then compared with a PID controller with no load and various load condition iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiiii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 1.1 BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ Đặt vấn đề 1.2 Tổng quan phương pháp điều khiển động xoay chiều 1.2.1 Phương pháp điều khiển scalar 1.2.2 Phương pháp điều khiển vector 1.3 Điều khiển hệ phi tuyến dùng mạng nơron………………………………… 13 1.3.1 Nhận dạng hệ phi tuyến 13 1.3.2 Điều khiển hệ phi tuyến dùng mơ hình nội 16 1.3.3 Điều khiển hệ phi tuyến theo mơ hình chuẩn 19 1.4 Điều khiển trượt - SMC 20 1.4.1 Chọn mặt trượt………………………………………………………… 20 1.4.2 Luật điều khiển 21 1.5 Kết luận 23 CHƯƠNG GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE CHO BIẾN TẦN ĐA BẬC 25 2.1 Giới thiệu 25 2.2 Điều chế sóng mang 28 2.2.1 Điều chế Pha - PM 29 2.2.2 Điều chế Phase Shift Keying - PSK 30 2.2.3 Điều chế tần số - FM 31 2.2.4 Giảm số lần chuyển mạch 34 2.3 Kết mô 35 2.3.1 Điều chế PM 35 2.3.2 Điều chế PSK 36 2.3.3 Điều chế FM 38 2.4 Mơ hình kết thực nghiệm 39 iv 2.4.1 Điều chế PM 39 2.4.2 Điều chế PSK 39 2.4.3 Điều chế FM 40 2.5 Kết luận 40 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG CHO………………… 42 ĐỘNG CƠ BA PHA KHƠNG ĐỒNG BỘ 3.1 Mơ hình động hệ tọa độ d-q 42 3.2 Phương pháp điều khiển sở PID 44 3.2.1 Luật điều khiển………………………………………………………… 44 3.2.2 Kết mô 45 3.2.3 Kết thực nghiệm 46 3.2.4 Kết luận………………………………………………………………….48 3.3 Phương pháp điều khiển dùng mơ hình nội………………………………….48 3.3.1 Luật điều khiển………………………………………………………… 49 3.3.2 Kết mô phỏng……………………………………………………….51 3.3.3 Kết thực nghiệm 55 3.3.4 Kết luận………………………………………………………………….58 3.4 Phương pháp điều khiển trượt 59 3.4.1 Điều khiển trượt sở mạng nơ-ron……………………………… 59 3.4.2 Điều khiển trượt sở mạch lọc thông thấp 71 3.4.3 Điều khiển trượt với mơ hình ước lượng vận tốc 82 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN………………………………………94 4.1 Thảo luận 94 4.2 Kết 96 4.3 Những đóng góp tác giả 100 4.4 Đánh giá phương pháp điều khiển 100 CHƯƠNG KẾT LUẬN……………………………………………………… 102 5.1 Những nội dung nghiên cứu luận án 102 5.2 Những đóng góp khoa học luận án 103 5.3 Định hướng nghiên cứu phát triển luận án 103 v DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ………………………………………104 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………… 106 PHỤ LỤC……………………………………………………………………………112 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển động Hình 1.2 Đặc tính động 11.1kW .5 Hình 1.3 Điều khiển scalar vịng hở Hình 1.4 Điều khiển scalar vịng kín .6 Hình 1.5 Điều khiển scalar không dùng cảm biến Hình 1.6 Điều khiển trực tiếp từ thông rotor Hình 1.7 Điều khiển gián tiếp từ thơng rotor 10 Hình 1.8 Điều khiển trực tiếp từ thơng stator 10 Hình 1.9 Điều khiển trực tiếp từ mô-men .11 Hình 1.10 Điều khiển khơng dùng cảm biến 12 Hình 1.11 Vector dịng điện từ thơng stator .13 Hình 1.12 Cấu trúc mạng truyền thẳng lớp 14 Hình 1.13 a) Nhận dạng mơ hình thuận, b) Nhận dạng mơ hình ngược .15 Hình 1.14 Nhận dạng đặc tính động học dùng mạng nơ-ron 15 Hình 1.15 Bộ điều khiển dùng mơ hình nhận dạng ngược 16 Hình 1.16 Điều khiển dùng mơ hình nội .16 Hình 1.17 Nhận dạng mơ hình ngược 17 Hình 1.18 Nhận dạng mơ hình thuận 18 Hình 1.19 Hệ thống điều khiển mơ hình nội với độ miễn nhiễu 19 Hình 1.20 Điều khiển dùng mơ hình chuẩn 19 Hình 1.21 Hình chiếu quỹ đạo pha 21 Hình 1.22 Đáp ứng thời gian: a) Vị trí, b) Tốc độ 22 Hình 1.23 Quỹ đạo pha 22 Hình 1.24 Luật điều khiển u 22 Hình 2.1 Cầu trúc pha biến tần cascade bậc .26 Hình 2.2 Mơ hình điều khiển cho nghịch lưu cascade .27 Hình 2.3 a) Sóng mang chưa chuẩn hóa, b) Sóng mang chuẩn hóa .28 c) Phổ sóng mang chưa điều chế Hình 2.4 a) Sóng mang sau điều chế PM ba pha, b) Phổ sóng mang điều chế PM 29 vii Hình 2.5 a) Sóng điều chế PSK, b) Sóng PSK sau chuẩn hóa cho pha 31 c) Phổ sóng mang điều chế PSK Hình 2.6 Phổ tần sóng điều chế FM quanh tần số c 32 Hình 2.7 a) Sóng mang với điều chế FM, b) Phổ sóng mang với điều chế FM 33 Hình 2.8 Điện áp pha Điện áp CM: a Chưa điều chế, b Sóng điều chế FM 33 Hình 2.9 Giải thuật giảm số lần chuyển mạch 34 Hình 2.10 a Chưa có giải thuật, b Giải thuật giảm số lần chuyển mạch .34 Hình 2.11 Sơ đồ mơ 35 Hình 2.12 a) Điện áp CM, điện áp pha Vao 35 b) Điện áp tải pha a phổ, Em= Hình 2.13 a) Điện áp CM, điện áp pha Vao 36 b) Điện áp tải pha a phổ, Em= 0.5 Hình 2.14 a) Điện áp CM, điện áp pha Vao 36 b) Điện áp tải pha a phổ, Em= 0.1 Hình 2.15 a) Điện áp CM, điện áp pha Vao 37 b) Điện áp tải pha a phổ, Em= Hình 2.16 a) Điện áp CM, điện áp pha Vao 37 b) Điện áp tải pha a phổ, Em= 0.5 Hình 2.17 a) Điện áp CM, điện áp pha Vao 37 b) Điện áp tải pha a phổ, Em= 0.1 Hình 2.18 a) Điện áp CM, điện áp pha Vao 38 b) Điện áp tải pha a phổ, Em= Hình 2.19 a) Điện áp CM, điện áp pha Vao 38 b) Điện áp tải pha a phổ, Em= 0.5 Hình 2.20 a) Điện áp CM, điện áp pha Vao 38 b) Điện áp tải pha a phổ, Em= 0.1 Hình 2.21 Điện áp CM, điện áp pha điện áp tải pha a, Em = 1, 0.5 0.1 .39 Hình 2.22 Điện áp CM, điện áp pha điện áp tải pha a, Em = 1, 0.5 0.1 .39 Hình 2.23 Điện áp CM, điện áp pha điện áp tải pha a, Em = 1, 0.5 0.1 .40 Hình 2.24 Mơ hình thực nghiệm 41 Hình 3.1 Mơ hình động theo tọa độ d-q 42 Hình 3.2 Sơ đồ thực nghiệm với card DSP 320F28335 43 Hình 3.3 Sơ đồ mô điều khiển sở PID 44 viii TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Krause, P.C., O Wasynczuk, and S.D Sudhoff, Analysis of Electric Machinery, IEEE Press, 2002 [2] Mohan, N., T.M Undeland, and W.P Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1995, Section 8.4.1 [3] Dương Hoài Nghĩa, “Điều khiển hệ thống đa biến” NXB Đại học Quốc gia Hồ Chí Minh, 2007 [4] Châu Chí Đức, Dương Hồi Nghĩa, “Ước lượng từ thông tốc độ động không đồng dùng mạng neuron” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, số 42+43, pp 75-79, 2003 [5] Dương Hoài Nghĩa, Nguyễn Văn Nhờ, Hong-Hee Lee, “Control of induction Motor using IMC approach”, 2007 ICPE’07 Conference in Daegu, Korea Ratna Ika Putri, Mila fauziyah, and Agus Setiawan, “Neural fuzzy For Speed Control of Three Phase Induction Motor”, IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, Vol.10 No.10, October 2010 [7] Bose B.K., Modern Power Electronics and AC Drives, Pearson Education, 4th Edition, 2004 [8] Utikin, V I., Variable structure system with sliding mode: A Survey,IEEE Transaction on Automatic control, vol 22, no, 2, 1977, pp 212-222 [9] Benchaib, A., A Rachid, E Audrezet, and M Tadjine, Real time sliding mode observer and control of an induction motor, IEEETrans on Ind Electronics, vol 46, no 1, Feb 1999, pp 128-138 [10] Mohanty K.B., Sensorless Sliding Mode Control of induction motor drives, TENCON- 2008, IEEE Region 10 Conference, Hyderabad [11] S Ryvkin, R Schmidt-Obermăoller, and A Steimel, Sliding Mode Control Technique for an Induction Motor Drive Supplied by a Three-Level Voltage Source Inverter,facta universitatis (niˇs), ser.: elec.energ vol 21, no 2, August 2008, 195-207 [12] Sumit Sunil Rashinkar and Subhash S Sankeshwari, sliding-mode controller based indirect vector control of induction motor,International Journal of Advances in Engineering & Technology,Nov., 2014 [13] Heath Gustavo G Parman, Benjamim R Menezes, Antonio P Bragaand Marcelo A Costa, Sliding mode neural network control of an induction motor drive, international journal of adaptive control andsignal processing, int j adapt control signal process.2003 [6] 106 [14] Imene Kebbati, Yamna Hammou, Abdellah Mansouri, and Mohamed Bourahla, Sliding Mode Control with a robust observer of induction motor, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R 88 NR 1b/2012 [15] Zhanmin Zhou, Bao Zhang, Dapeng Mao, Robust Sliding Mode Control of PMSM Based on Rapid Nonlinear Tracking Differentiator and Disturbance Observer, Sensors, vol 18, no 4, 1031, March2018 [16] S V Emelyanov, Variable Structure Control Systems Moscow: Nauka, (in Russian), 1967 [17] K D Young, V I Utkin, Zgner, "A control engineer's guide to sliding mode control", IEEE Trans Control Syst Technol., vol 7, no 3, pp.328-342, May 1999 [18] Heath Gustavo G Parman, Benjamim R Menezes, Antonio P Bragaand Marcelo A Costa, Sliding mode neural network control of an induction motor drive, international journal of adaptive control andsignal processing, int j adapt control signal process.2003 [19] Li Jian-jun, Application of self tuning PID controller based on RBF network, International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering (ICACTE), Chengdu, China, pp 544-546, Aug 2010 [20] Zhang Yuzeng, Song Jianxin, Song Shuhan, Yan Mingyin, A control engineer's guide to sliding mode control, International Conference onIntelligent Computation Technology and Automation, pp 425 - 428,2010 [21] Yangmin Li, Qingsong Xu, Adaptive Sliding Mode Control With Perturbation Estimation and PID Sliding Surface for Motion Tracking of a Piezo-Driven Micromanipulator, IEEE Transactions on ControlSystems Technology, vol 18, no 4, pp 798 - 810, Oct 2009 [22] Chiheb Ben Regaya,Abderrahmen Zaafouri, A New Sliding Mode Speed Observer of Electric Motor Drive Based on Fuzzy-Logic, ACTA POLYTECHNICA HUNGARICA, 2014 [23] J V Gorp, M Defoort, M Djemai, and K C Veluvolu, ‘‘Fault detection based on higher-order sliding mode observer for a class of switched linear systems’’, IET Control Theory Appl., vol 9, no 15, pp 2249–2256, Oct 2015 [24] G Sun, Z Ma, and J Yu, ‘‘Discrete-time fractional order terminal sliding mode tracking control for linear motor’’,IEEE Trans Ind Electron, vol 65, no 4, pp 3386–3394, Apr 2018 [25] Ziad Hussein Salih, Khalaf S Gaeid Ali Saghafinia, “Sliding Mode Control of Induction Motor withVector Control in Field Weakening”, Modern Applied Science, Vol 9, No 2, 2015 107 [26] H Ma, J Wu, and Z Xiong, ‘‘Discrete-time sliding-mode control with improved quasi-sliding-mode domain’’, IEEE Trans Ind Electron, vol 63, no 10, pp 6292–6304, Oct 2016 [27] Hee-Jung Kim, Hyeoun-Dong Lee, and Seung-Ki Sul, A New PWM Strategy for Common-Mode Voltage Reduction in Neutral-Point-Clamped Inverter-Fed AC Motor Drives,IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 37, No 6, November/ December, 2001 [28] Abhijit Choudhury, Pragasen Pillay, and Sheldon S Williamson, "A HybridPWM Based DC-Link Voltage Balancing Algorithm for a 3-Level Neutral-PointClamped (NPC) DC/AC Traction Inverter Drive", 2015 IEEE [29] Seung-Wook Hyun, Seok-Jin Hong, Jung-Hyo Lee, Chun-Bok Lee, and ChungYuen Won, "A Method to Compensate the Distorted Space Vectors in the Unbalanced Neutral Point Voltage of 3-level NPC PWM Inverters", Journal of Power Electronics, Vol 16, No 2, pp 455-463, March 2016 [30] Ahmet M Hava, and Emre Uă n, Performance Analysis of Reduced CommonMode Voltage PWM Methods and Comparison With Standard PWM Methods for Three-Phase Voltage-Source Inverters, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 24, No 1, January 2009 [31] José Rodríguez, Jorge Pontt, Pablo Correa, Patricio Cortés, and César Silva,A New Modulation Method to Reduce Common-Mode Voltages in Multilevel Inverters, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 51, No 4, August 2004 [32] Poh Chiang Loh, Donald Grahame Holmes, Yusuke Fukuta, and Thomas A Lipo,A Reduced Common Mode Hysteresis Current Regulation Strategy for Multilevel Inverters, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 19, No 1, January 2004 [33] Poh Chiang Loh, Donald Grahame Holmes,Yusuke Fukuta, and Thomas A Lipo, Reduced Common-Mode Modulation Strategies for Cascaded Multilevel Inverters, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 39, No 5, September/ October, 2003 [34] Ville Naumanen, Juhamatti Korhonen, Julius Luukko, and Pertti Silventoinen, Multilevel Inverter Modulation Method to Reduce Common-mode Voltage and Overvoltage at the Motor Terminals, 2010 IEEE 26-th Convention of Electrical and Electronics Engineers in Israel [35] Lizhong Long, Yonggao Zhang and Guangjian Kuang, A Modified Space Vector Modulation Scheme to Reduce Common-mode Voltage for Cascaded NPC/Hbridge Inverter, 2012 IEEE 7th International Power Electronics and Motion Control Conference [36] Body Area Communications: “Channel Modeling, Communication Systems, and EMC”, Firs Edition Jianqing Wang and Qiong Wang, 2013 108 [37] The Telecommunications Handbook: “Engineering Guidelines for Fixed, Mobile and Satellite Systems”, First Edition Edited by Jyrki T J Penttinen.© 2015 John Wiley & Sons, Ltd Published 2015 by John Wiley & Sons, Ltd [38] B.P Lathi, Zhi Ding, “Modern Digital And Analog Communication Systems”, International Fourth Edition, Oxford University, 2010 [39] Nguyễn Vinh Quan, Nguyễn Văn Nhờ Dương Hoài Nghĩa, “Carrier “Modulation For Cascaded Multilevel Inverters”, Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hóa VCCA 2019, (bài báo số 11) [40] Mohamed Mahmoud Ismail , “Stator Resistance Identification using Artificial Intelligent technique for the Adaptive Controller of Magnetically Saturated Induction Motor”, 2010 IEEE [41] Arbin Ebrahim and Gregory Murphy, “Adaptive Control of an Induction Motor With Magnetic Saturation Under Time-Varying Load Torque Uncertainty”, 39th Southeastern Symposium on System Theory TB2.5 Mercer University Macon, GA, 31207, March 4-6, 2007 [42] Hossam A Abdel Fattah Kenneth A Loparo Hassan M Emara, “Induction Motor Control Sytern Performance Under Magnetic Saturation”, Proceedings of the American Control Conference San Diego, California June 1999 [43] Charles R Sullivan, and Seth R Sanders, “Models for Induction Machines with Magnetic Saturation of the Main Flux Path”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL 31, NO 4, JULY/AUGUST 1995 [44] Chaofu Kao, Charles R Sullivan, Brian Acker, and Seth R Sanders, “Induction Machine Control Systems With Magnetic Saturation”, IEEE 1994 [45] Nguyễn Vinh Quan, Nguyễn Văn Nhờ Dương Hoài Nghĩa, “Điều Khiển Định Hướng Từ Thông Stator cho Động Cơ Ba Pha Khơng Đồng Bộ Điều Kiện Bão Hịa Từ”, Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ Điện tử - VCM-2016, tr 181 [46] Nguyễn Vinh Quan, Nguyễn Văn Nhờ Dương Hoài Nghĩa, “Điều Khiển Gián Tiếp Định Hướng Từ Thông Stator cho Động Cơ Ba Pha Khơng Đồng Bộ Điều Kiện Bão Hịa Từ”, VCM-2016, (tr 189-195) [47] Nguyễn Vinh Quan, Nguyễn Văn Nhờ Dương Hoài Nghĩa, “Adaptive Control of a Three Phase Induction Motor by using Internal Model”, Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hóa VCCA 2017, (bài báo số 91) [48] Nguyễn Vinh Quan, Nguyễn Minh Tâm, Nguyễn Văn Nhờ Dương Hoài Nghĩa, “Sliding Mode Control of a Three phase Induction Motor based on RBF Network”, Hội nghị ICSSE 2017, (tr 531) [49] Nguyễn Vinh Quan, Nguyễn Nhân Bổn, Nguyễn Minh Tâm, “Robust control of a Three-phase Induction Motor”, Hội nghị IEEE 2019, (tr 484-489) 109 [50] Nguyễn Vinh Quan, Trần Quang Thọ Dương Hoài Nghĩa, “Stator-fluxoriented control for three-phase induction motors using sliding mode control ” Journal of Electrical Systems 2020, (tr 171-184) [51] Abu-Rub, H.; Iqbal, A.; Guzinski, J “High Performance Control of AC Drives with Matlab/Simulink Models”, Wiley: Hoboken, NJ, USA, 2012 [52] Utkin, “V Variable structure systems with sliding modes”, IEEE Trans Autom Control 1977, 22, 212–222 [53] Hung, J.Y Gao, W Hung, J.C “Variable structure control”, A survey IEEE Trans Ind Electron 1993, 40, 2–22 [54] Fallaha, C.J Saad, M Kanaan, H.Y Al-Haddad, “Sliding mode robot control with exponential reaching law” IEEE Trans Ind Electron 2011, 58, 600–610 [55] Rong-Jong, W Kun-Lun, C Jeng-Dao, L “On-Line Supervisory Control Design for Maglev Transportation System via Total Sliding-Mode Approach and Particle Swarm Optimization” IEEE Trans Autom Control 2010, 55, 1544–1559 [56] Han, S.I Lee, J.M “Balancing and Velocity Control of a Unicycle Robot Based on the Dynamic Model”, IEEE Trans Ind Electron 2015, 62, 405–413 [57] Rong-Jong, W Kun-Lun, C Jeng-Dao, “On-Line Supervisory Control Design for Maglev Transportation System via Total Sliding-Mode Approach and Particle Swarm Optimization”, IEEE Trans Autom Control 2010, 55, 1544–1559 [58] Faa-Jeng, L Chih-Kai, C Po-Kai, “FPGA-Based Adaptive Backstepping SlidingMode Control for Linear Induction Motor Drive”, IEEE Trans Power Electron 2007, 22, 1222–1231 [59] Veselic, B Perunicic-Drazenovic, B Milosavljevic, “Improved Discrete-Time Sliding-Mode Position Control Using Euler Velocity Estimation”, IEEE Trans Ind Electron 2010, 57, 3840–3847 [60] Yaonan, W Xizheng, Z Xiaofang, Y Guorong, “Position-Sensorless Hybrid Sliding-Mode Control of Electric Vehicles With Brushless DC Motor”, IEEE Trans Veh Technol 2011, 60, 421–432 [61] Jian-Bo, C Bing-Gang, “Fuzzy-Logic-Based Sliding-Mode Controller Design for Position-Sensorless Electric Vehicle”, IEEE Trans Power Electron 2009, 24, 2368–2378 [62] Xiaoguang, Z Lizhi, S Ke, Z Li, “Nonlinear speed control for PMSM system using sliding mode control and disturbance compensation techniques’, IEEE Trans Power Electron 2013, 28, 1358–1365 [63] Qi, L.Shi, ”Adaptive position tracking control of permanent magnet synchronous motor based on RBF fast terminal sliding mode control”, 2013, 115, 23–30 [64] Bartolini, G Ferrara, A Usani, “Chattering avoidance by second-order sliding mode control”, IEEE Trans.Autom Control 1998, 43, 241–246 [65] Kaynak, O Erbatur, K Ertugnrl, “The fusion of computationally intelligent methodologies and sliding-mode control-a survey”, IEEE Trans Ind 2001 110 [66] Xinghuo, Y Kaynak, “Sliding-Mode Control With Soft Computing: A Survey”, IEEE Trans Ind Electron 2009, 56, 3275–3285 [67] Mohanty, A Patra, S Ray, “Robust fuzzy-sliding mode based UPFC controller for transient stability analysis in autonomous wind-diesel-PV hybrid system”, IET Gener Transm Distrib 2016, 10, 1248–1257 [68] Elsayed, B.A Hassan, M Mekhilef, “Decoupled third-order fuzzy sliding model control for cart-inverted pendulum system”, Appl Math 2013, 7, 193–201 [69] Zhang, B Pi, Y Luo, “Fractional order sliding-mode control based on parameters auto-tuning for velocity control of permanent magnet synchronous motor”, ISA Trans 2012, 51, 649–656 [70] Faa-Jeng, L Po-Hung, “Robust Fuzzy Neural Network Sliding-Mode Control for Two-Axis Motion Control System”, IEEE Trans Ind Electron 2006 [71] Liangyong, W.Tianyou, C Lianfei, “Neural-Network-Based Terminal SlidingMode Control of Robotic Manipulators Including Actuator Dynamics”, IEEE Trans Ind Electron 2009, 56, 3296–3304 [72] Lin, F.J.Hung, Y.C Chen, “Field-programmable gate array-based intelligent dynamic sliding-mode control using recurrent wavelet neural network for linear ultrasonic motor”, IET Control Theory Appl 2010, 4, 1511–1532 [73] El-Sousy,”Robust wavelet-neural-network sliding-mode control system for permanent magnet synchronous motor drive”, IET Electr Power Appl 2011 [74] Pan, H Xia,”Efficient Object Recognition Using Boundary Representation and Wavelet Neural Network”, IEEE Trans Neural Netw 2008, 19, 2132–2149 [75] B.P Lathi, Zhi Ding, “Modern Digital And Analog Communication Systems”, International Fourth Edition, Oxford University, 2010 [76] Elmas, C Ustun, “A hybrid controller for the speed control of a permanent magnet synchronous motor drive”, Control Eng Pract 2008, 16, 260–270 [77] Rachid Beguenane1, Mohand A Ouhrouche, and Andrzej M Trzynadlowski, “Stator Resistance Tuning in an Adaptive Direct Field-Orientation Induction Motor Drive at Low Speeds”, Conference of the IEEE, 2004 [78] Georgios Papafotiou, Tobias Geyer, and Manfred Morari, “Optimal Direct Torque Control of Three-Phase Symmetric Induction Motors”, 43rd IEEE Conference on Decision and Control December 14-17, 2004 [79] F.H Xepapas, Ath.X Kaletsapos, G.S.Perantzakis, S.N.Manias, “Sliding Mode Fuzzy Logic Control Technique for Induction Motor Drive System Fed by ThreeLevel NPC Inverter”, 2004 35th Annual IEEE Power Elecfronics Specialists Conference [80] Abdeldjebar Hazzab, Ismail Khalil Bousserhane, Mokhtar Kamli, “Design of a Fuzzy Sliding Mode Controller by Genetic Algorithms for Induction Machine Speed Control”, International Journal of Emerging Electric Power Systems, Volume 1, Issue 2004 111 PHỤ LỤC Phần phụ lục gồm tài liệu [77, 80] PL.1 Mơ hình động động khơng đồng (KĐB) PL1.1 Vector không gian hệ tọa độ từ thơng Động KĐB pha có ba cuộn dây stator bố trí khơng gian lệch 1200 điện hình PL1 Hình PL1 Sơ đồ điện áp stator cuộn dây động KĐB pha Trong hình khơng quan tâm đến việc động đấu hay tam giác Dòng điện isu, isv, isw ba dòng điện chảy từ lưới qua hộp nối vào động Khi vận hành động biến tần, dịng đầu biến tần isu  t  + isv  t  + isw  t  = (PL1) Trong đó: i  t  = i cos  ω t  s s  su  isv  t  = is cos  ωs t +120   isw  t  = is cos  ωs t -120  Với (PL2) ωs= 2πfs, fs tần số mạch stator is biên độ dòng điện pha Về phương diện mặt phẳng học, động điện KĐB xoay chiều pha có ba cuộn dây lệch góc 120 độ điện Nếu mặt cắt ta thiết lập hệ tọa độ phức với trục thực qua cuộn dây U động cơ, ta xây dựng vector không gian: is  t  = o o 2 isu  t  + isv  t  e j120 + isw  t  e j240   3 (PL3) 112 2 3  3  isv isw    2   Hay is  t  =  isu - 0.5isv - 0.5isw  + j   (PL4) Theo công thức (PL3), vector is(t) vector có mơ-đun khơng đổi quay mặt phẳng phức với tốc độ ωs tạo với trục thực góc θ = ωst Hình Hình PL2 PL2 Thiết Thiết lập lập vector vector không không gian gian từ từ các đại đại lượng lượng pha pha Xây dựng vector is(t) thể hình PL2, dịng điện pha hình chiếu vector dịng điện stator is(t) trục cuộn dây tương ứng Đối với đại lượng khác động như: điện áp stator, dịng rotor, từ thơng stator từ thơng rotor xây dựng vector tương ứng giống dịng điện PL1.1.1 Mơ tả vector hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ αβ) Hình PL3 Vector khơng gian với dịng isα isβ hệ tọa độ stator cố định Vector không gian dịng điện vector có mơđun xác định is quay mặt phẳng phức (hình PL3) với tốc độ góc ωsvà tạo với trục thực góc ωst (trùng với 113 dây pha U) Đặt tên cho trục thực α trục ảo β, hai thành phần vector mô tả tương ứng isα isβ Hệ tọa độ hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt hệ tọa độ αβ Dễ dàng nhận thấy hai dòng điện isα isβ hai dịng hình sin Ta hình dung động điện KĐB pha có ba cuộn dây U,V W, thay hai cuộn dây cố định α β Bằng cách chiếu thành phần vector khơng gian dịng điện stator lên trục pha α,β ta có isα = isu   isβ =  isu + 2isv   (PL5) Tương tự vector dòng điện stator, vector điện áp stator, dịng điện rotor, từ thơng stator từ thơng rotor biểu diễn hệ tọa độ stator cố định (hệ tọa độ αβ) sau: is = isα + jisβ  u s = u sα + ju sβ  i r = i rα + ji rβ  ψs = ψsα + jψsβ ψ = ψ + jψ rα rβ  r (PL6) PL.1.1.2 Mô tả vector tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq) Ta xây dựng hệ tọa độ dq có chung điểm gốc với hệ tọa độ αβ nằm lệch góc θs Mối liên hệ thể hình PL4 Giả thuyết ta quan sát động KĐB ba pha quay với vận tốc góc ω = dθ , θ góc tạo rotor trục dt chuẩn Vector từ thơng ψr quay với tốc độ góc ωs = 2πfs = dθs , f s tần số mạch stator dt Từ hình PL4 ta nhận thấy, trường hợp động đồng trục từ thông rotor trục rotor (cho dù động kích thích ngồi hay kích thích vĩnh cửu), trường hợp ω = ωs Nếu động KĐB lệch ω ωs tạo nên dòng điện rotor với tần số fr, dòng biểu diễn dạng vector i r quay với tốc độ góc ωr = 2πfr Để nhận biết vector quan sát hệ tọa độ ta quy ước thêm hai số viết s (stator coordinates_ tọa độ αβ) f (field coordinates_tọa độ dq) 114 Hình PL4 Vector không gian hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq) Gọi i ss : vector dòng stator quan sát hệ tọa độαβ f i s : vector dòng stator quan sát hệ tọa độdq Ta có: iss = isα + jisβ f is = isd + jisq (PL7) Nếu biết θs ta tính i sf công thức f is = iss e-jθs (PL8) Một cách chi tiết isd = isα cosθs + isβ sinθs  isq = - isα sinθs + isβ cosθs (PL9) Ta biểu diễn tất vector lại hệ tọa độ dq sau:  u sf = u sd + ju sq f i r = i rd + ji rq  f  ψs = ψsd + jψsq  f  ψ r = ψ rd + jψ rq (PL10) PL.2 Mô hình động KĐB pha Mơ hình tốn máy điện xoay chiều phụ thuộc vào số giả thiết ban đầu với điều kiện lý tưởng cụ thể là: dây quấn stator pha giả định hồn tồn giống nhau, 115 bố trí đối xứng 1200 điện không gian, bỏ qua tổn hao sắt từ, dịng điện xốy bão hịa từ (mơ hình lý tưởng), dịng từ hóa từ trường phân bố hình sin khe hở khơng khí, giá trị điện trở điện kháng xem không đổi suốt trình vận hành Sơ đồ thay tương đương động KĐB pha lý tưởng hình PL5 Hình PL5 Sơ đồ thay hình T động KĐB pha lý tưởng Trong đó: Lσs = Ls - Lm Lσr = Lr - Lm Trục chuẩn quan sát quy ước trục qua tâm cuộn dây pha U Ta sử dụng phương trình để xây dựng mơ hình trạng thái động PL.2.1 Hệ phương trình trạng thái hệ tọa độ stator (αβ) Hệ phương trình điện áp, từ thông stator rotor động KĐB mô tả sau: s s s s s s u =R i + dψs (PL11a) dt s s r r 0=R i + s dψ r s dt s - jωψ r (PL11b) s (PL11c) s (PL11d) ψs = Ls is + L m i r s s ψ r = L m is + L r i r Từ phương trình (PL11c) (PL11d) ta có s ir = s s s (ψ r - L m is ) Lr s ψs = Ls is + (PL11c’) Lm s s (ψ r - L m is ) Lr (PL11d’) Thay phương trình (PL11c’) (PL11d’) vào (PL11a) (PL11b) ta 116 s d[is Ls + s s u s = R s is + Lm s s (Ψ r - is L m )] Lr dt (PL12a) s dψ s s s = R r [ (Ψ r - L m is )] + r - jωψr Lr dt Với R s = L2 Ls L ; Tr = r ; σ = 1- m ta có Ls L r Ts Rr s s s u s = R s is + σLs s dψ r dt = (PL12b) s dis L m dΨ r + dt L r dt (PL13a) Lm s s is - ( - jω)Ψ r Tr Tr (PL13b) Thế (PL13b) vào (PL13a) biến đổi ta s L2m  s Lm dis  s s =( - jω)Ψ r + us  Rs +  is + dt σLs  L r Tr  σLs Tr Tr σLs s dψ r L m s s = is - ( - jω)Ψ r dt Tr Tr (PL14a) (PL14b) Và chiếu phương trình (PL14a) (PL14b) lên hệ tọa độ αβ ta hệ phương trình biến trạng thái:  1- σ  disα 1- σ ' 1- σ = - + ψ rα + ωψ'rβ + u sα  isα + dt σTr σ σLs  σTs σTr  (PL15a) disβ  1- σ  1- σ 1- σ ' = - + ωψ'rα + ψ rβ + u sβ  isβ dt σ σTr σLs  σTs σTr  dψ'rα 1 = isα - ψ'rα - ωψ'rβ dt Tr Tr dψ 'rβ dt = s Với: (PL15c) 1 isβ + ωψ 'rα - ψ 'rβ Tr Tr 's ψr = ψr Lm ; σ = 1- (PL15b) (PL15d) L2m Ls L r Lm s s ψ  is Lr r Phương trình mơmen: Te = p (PL16) Qua phép biến đổi tích có hướng hai vector ta được: 117 Te = Lm p  ψrαisβ - ψrβisα  Lr (PL17) Phương trình chuyển động động cơ: J dω dω J Hay   Te - TL  p dt dt p Te - TL = (PL18) PL.2.2 Hệ phương trình trạng thái hệ tọa độ từ thông rotor (dq) Hệ phương trình điện áp, từ thơng stator rotor động mô tả đầy đủ f f s f s s u =R i + dψs f (PL19a) + jωs ψs dt f f r r 0=R i + f dψr f dt f + jωr ψ r (PL19b) f (PL19c) f (PL19d) ψs = Ls is + L m i r f f ψ r = L m is + L r i r Từ phương trình (PL19c) (PL19d) ta có: f ir = f f (ψ r - L m is ) Lr f f ψs = Ls is + (PL19c’) Lm f f (ψ r - L m is ) Lr (PL19d’) Thế phương trình (PL19c’) (PL19d’) vào (PL19a) (PL19b) ta được: f d[is Ls + f f u s = R s is + Lm f f (Ψ r - is L m )] Lr L f f f + jωs [is Ls + m (Ψ r - is L m )] dt Lr (PL20a) f dψ f f f = R r [ (Ψ r - L m is )] + r + jωr ψ r Lr dt Với R s = L2 Ls L ; Tr = r ; σ = 1- m ta có Ls L r Ts Rr f f us = dt f Ls f L di L dΨ r f f is + σLs s + m + jωs σ Ls is + jωs m Ψ r Ts dt L r dt Lr f dψ r (PL20b) = Lm f f is - ( + jωr )Ψ r Tr Tr (PL21a) (PL21b) 118 f 'f Thế phương trình (PL21b) vào (PL21a) với ψr = ψr Lm biến đổi ta được: f dis 1- σ) f (1- σ) 'f (1- σ) f f 'f = -( + )is - jωs is + Ψr - j ω Ψr + us dt σ Ts σ Tr σ Tr σ σ Ls f dψ r dt Lm f f is - ( + jωr )Ψ r Tr Tr = (PL22a) (PL22b) Và chiếu phương trình (PL22a) (PL22b) lên hệ tọa độ dq với (ψrq = 0) ta hệ phương trình biến trạng thái: disd 1- σ) (1- σ) ' = -( + )isd + ωs isq + Ψ rd + u sd dt σ Ts σ Tr σ Tr σ Ls disq 1- σ) (1- σ) = -( + )isq - ωs isd ωΨ 'rd + u sq dt σ Ts σ Tr σ σ Ls dψ'rd 1 = isd - Ψ 'rd dt Tr Tr dψ 'rq dt = (PL23a) (PL23b) (PL23c) isq - (ωs - ω)Ψ 'rd Tr (PL23d) Phương trình mơmen Te = Lm f f p ψ  is Lr r (PL24) Qua phép biến đổi tích có hướng hai vector ta Te = Lm p  ψrdisq - ψrqisd  Lr  Te = Lm p  ψrdisq  Lr (PL25) Phương trình chuyển động động Te - TL = Hay J dω p dt dω J   Te - TL  dt p (PL26) PL.3 Phép chuyển hệ trục tọa độ PL.3.1 Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ trục tọa độ αβ ngược lại Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ 119  u =  u a - 0.5u b - 0.5u c  sα      u sβ = -  - u b + u c     2  (PL27) Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ abc  u sa = u sα   u sβ u sb = - u sα + 2   u sβ u sc = - u sα  2 (PL28) PL.3.2 Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ dq ngược lại Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ dq  2 2π  4π     u sd =  u a cosθs + u b cos  θs -  + u c cos  θs -   3       u = -  u sinθ + u sin  θ - 2π  + u sin  θ - 4π   a s b  s  c  s   sq        (PL29) Phép chuyển hệ trục tọa độ dq sang hệ tọa độ abc  u  u cosθ  u sinθ sd s sq s  a  2π  2π    u b = u sd cos  θs -   u sq sin  θs -        4π  4π    u c  u sd cos  θs -   u sq sin  θs -       (PL30) PL.3.3 Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq ngược lại Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq  u sd = u sα cosθ s + u sβ sinθ s   u sq = -u sα sinθ s + u sβ cosθ s (PL31) Phép chuyển hệ trục tọa độ dq sang hệ tọa độ αβ u sα = u sd cosθs - u sq sinθs  u sβ = u sd sinθs + u sq cosθs (PL32) 120 ... 1: Tổng quan điều khiển động điện xoay chiều ba pha không đồng Chương 2: Giảm điện áp common-mode cho biến tần đa bậc Chương 3: Điều khiển thích nghi bền vững cho động ba pha không đồng Chương... + Ba phương pháp điều chế để giảm điện áp CM cho biến tần đa bậc: a) Điều chế pha - PM b) Điều chế dịch chuyển pha - PSK c) Điều chế tần số - FM + Điều khiển thích nghi bền vững động ba pha không. .. dàng để thiết kế điều khiển thích nghi bền vững định hướng vector từ thơng rotor Luận án trình bày phương pháp thiết kế điều khiển thích nghi bền vững cho động ba pha không đồng loại rotor lồng