Trước đây, hệ truyền động điện (TĐĐ) một chiều chiếm ưu thế khi chọn lựa cho các ứng dụng đòi hỏi chất lượng cao nhờ những ưu thế về mô hình tuyến tính của nó. Hệ TĐĐ một chiều, đặc biệt hệ sử dụng loại kích từ độc lập, ta có thểđiều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông (dòng mạch kích từ) và dòng tạo mômen quay (dòng mạch phần ứng), vì vậy thuật toán điều khiển đơn giản, tường minh, khiến cho chất lượng động cũng như tĩnh rất tốt. Mặc dù ĐC KĐB rôto lồng sóc có cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, làm việc tin cậy do không có hệ thống chổi than/cổ góp nhưng việc điều khiển gặp nhiều khó khăn do mô hình phức tạp và phi tuyến, khiến cho thuật toán điều khiển phức tạp. Vì vậy các ĐC KĐB thường chỉ được chọn lựa cho các ứng dụng không đòi hỏi cao về chất lượng.
33
Gần đây, khoảng 1970, lý thuyết về điều khiển hướng trường (FOC- Field Oriented Control cũng còn được gọi là phương pháp tựa theo trường) hay điều khiển vectơ do Blaschke (trực tiếp) và Hasse (gián tiếp) đưa ra đã mở đường cho hệ TĐĐ ĐC KĐB phát triển mạnh mẽ, mà đặc biệt là loại động cơ roto lồng sóc. Hệ TĐĐ này khi áp dụng FOC, đặc biệt là phương pháp tựa theo từ thông roto, ta có thể tách được hai thành phần là thành phần
dòng tạo từ thông và thành phần dòng tạo mômen quay từ dòng điện xoay chiều ba pha đưa vào các cuộn dây stato. Do vậy, những ưu thế của hệ TĐĐ một chiều không còn nữa, cộng với những tiến bộ của các kỹ thuật ĐTCS lớn, vi điều khiển-vi xử lý, các công cụ thông minh,… đã đưa loại động cơ KĐB roto lồng sóc trở thành loại động cơđược sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Trong hệ thống TĐĐ vòng kín, để nhận biết tốc độ hoặc vị trí của trục động cơ, trước đây, thường có một cảm biến đo tốc độ hoặc vị trí của roto gắn ngay trên trục động cơ. Hiện nay, các cảm biến này đang dần bị loại bỏ mà thay vào đó người ta đo các thông sốđiện trên đầu vào của động cơ rồi tính ra tốc độ hoặc vị trí của roto. Việc loại bỏ bộ phận này làm giảm chi phí của cả hệ thống, đồng thời làm tăng độ tin cậy của hệ thống điều khiển do loại bỏ được phần kết nối giữa cảm biến và bộđiều khiển. Để có thể điều khiển theo FOC, một thông số rất cần biết đó là từ thông roto. Đây là đại lượng phải rất tốn kém mới có thể đo được. Vì vậy cần phải có giải pháp tính ra đại lượng này. Một vấn đề khó khăn lớn đặt ra cho các hệ điều khiển không cảm biến (sensorless) mà là miền đất hứa cho các nhà nghiên cứu gần đây đó là vấn đề tính chính xác ở vùng tốc độ thấp (dưới vài Hz). Có rất nhiều các công trình nghiên cứu hoặc đề cập về lĩnh này. Có rất nhiều cách tính, và rất khó mà có thể phân loại được, vì chúng còn tuỳ thuộc vào ta điều khiển theo cách nào. Nói chung ta có thể phân thành ba nhóm phương pháp điều khiển không sensơ:
34
- Nhóm các phương pháp tựa theo từ thông stato như: Phương pháp tự chỉnh trực tiếp (Direct Self-Control), phương pháp điều khiển mômen trực tiếp (Direct Torque Control), phương pháp tựa theo từ thông tự nhiên (Natural Field Orientation).
- Nhóm các phương pháp tựa theo từ thông rôto: Các phương pháp thuộc nhóm này thường hoạt động theo nguyên lý lọc Kilman (Kilman Filtering), hoặc nguyên lý thích nghi theo mẫu chuẩn (Model Reference Adaptive Systems).
- Nhóm các phương pháp tận dụng đặc điểm cấu tạo riêng của máy điện (tính không đối xứng, khe từ trên bề mặt stato và roto,..).
Hiện nay người ta đã đưa ra rất nhiều phương pháp điều khiển ĐC KĐB dựa trên thay đổi tần số. Trên hình 1.25 là phân loại các phương pháp điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số dựa trên việc mô tả vectơ không gian. Có hai nhóm cơ bản là nhóm các phương pháp điều khiển vô hướng và nhóm các phương pháp điều khiển vectơ.
Điều khiển vô hướng là nhóm các phương pháp điều khiển dựa trên quan hệ giữa các đại lượng ở trạng thái ổn định, và chỉ biên độ và tần số (tốc độ góc) của các vectơ điện áp, dòng điện và từ thông được điều khiển. Do đó, hệ thống điều khiển hoạt động không dựa trên vị trí tức thời trong không gian của đại lượng điều khiển. Có hai phương pháp điều khiển vô hướng được biết đến nhiều nhất là phương pháp điều khiển dựa trên luật điều khiển U/f và phương pháp điều khiển tốc độ trượt ωr không đổi.
So với điều khiển vô hướng, ngoài việc điều khiển biên độ và tần số, phương pháp điều khiển vectơ còn điều khiển cả vị trí tức thời của các vectơ điện áp, dòng điện và từ thông trong không gian. Do đó, hệ thống điều khiển hoạt động tốt cho cả chếđộổn đinh (xác lập) và chếđộ quá độ.
35
Hình 1.25 Phân loại các phương pháp điều khiển thay đổi tần sốĐC KĐB Điều khiển vectơ có thể thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhau. Hai nhóm phương pháp được biết đến nhiều nhất là phương pháp điều khiển hướng trường hay tựa theo từ trường (FOC) và phương pháp điều khiển mômen trực tiếp (DTC - Direct Torque Control). Phương pháp điều khiển tuyến tính hoá phản hồi FLC (Feedback Linearization Control) còn gọi là phương pháp điều khiển tách đầu vào đầu ra (input-output decoupling) dựa trên ý tưởng chuyển đổi phi tuyến các biến trạng thái của động cơ sao cho ở tọa độ mới, tốc độ và từ thông rôto được điều khiển tách biệt nhau bằng phản hồi. Phương pháp điều khiển dựa trên tính thụ động PBC (Passivity-Based Control) là một phương pháp mới được đưa ra, phương pháp này còn được gọi là phương pháp điều khiển tạo dáng năng lượng (Energy reshaping control hay Energy-shaping control). Trong phương pháp PBC, cách nhìn nhận hệ thống không dựa trên quan điểm xử lý tín hiệu mà nhìn nhận dựa trên tính thụ động của các hệ thống vật lý (tiêu tán và chuyển đổi năng lượng). Mỗi nhóm phương pháp trên có thể phân thành nhiều phương pháp khác nhau như trên hình 1.25: điều khiển hướng trường rôto R-FOC (Rotor Flux Oriented
36
Control), điều khiển hướng trường stato S-FOC (Stator Flux Oriented Control), điều khiển trực tiếp mômen dùng bộ điều khiển nơron-mờ DTNFC (Direct Torque Neuron-Fuzzy Controller), điều khiển theo quỹ tích từ thông tròn CFTC (Circular Flux Trajectory), điều khiển theo quỹ tích từ thông hình lục giác CFTC (Hexagonal Flux Trajectory).
Do số lượng các phương pháp là rất nhiều, dưới đây sẽ điểm qua một số phương pháp điển hình.