Đồ thị hình 6.7 và 6.8 thể hiện tốc độ ước lượng của các bộ điều khiển so với tốc độ thật, trong đó tốc độ của bộ điều khiển trượt cổ điển tồn tại biên độ dao động lớn nhất 3.02 rad/s, sai số có giảm trong bộ điều khiển với mặt trượt NTSM (khoảng 1.21 rad/s), giá trị ước lượng được của bộ điều khiển được thiết kế trong luận án đạt sai số xác lập nhỏ nhất (0.187 rad/s) trong thời gian khoảng 0.65 (s), và duy trì tốc độ gần như bằng giá trị tốc độ thật kể từ thời gian này. Sai số tốc độ tối đa để đạt được thời gian xác lập của các bộ điều khiển lần lượt là 10% với phương pháp SLM, 6%
với phương pháp sử dụng mặt trượt NTSM và 2.5% với phương pháp FONTSM được nghiên cứu trong luận án.
Bảng 6.2. Kết quả ước lượng tốc độ các bộ điều khiển
STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM
1 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.83 0.80 0.65 2 Độ vọt lố (overshoot) (%) 1.5 0.6 0.3 3 Sai số xác lập (rad/s) 3.02 1.21 0.187 4 Tích phân bình
phương sai lệch (ISE) 19.5 13.98 3.48
Hình 6.9. Sai số giữa từ thơng ước lượng và từ thơng thật
Đồ thị hình 6.9 thể hiện sai số từ thông của bộ ước lượng và giá trị từ thơng được tính từ dịng điện được đo trực tiếp bằng cảm biến dòng trên các pha của động cơ. Ta thấy giá trị sai số của bộ điều khiển trượt (màu cam) đạt biên độ dao động lớn, trong khi đó giá trị sai số của bộ điều khiển thiết kế (màu tím) gần như bằng khơng, chứng tỏ giá trị từ thông quan sát và thực tế gần như bằng nhau.
Hình 6.11. Sai số dịng điện sử dụng bộ trượt FONTSM
Hình 6.10 thể hiện tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển được thiết kế trong luận án, từ tín hiệu điều khiển đạt được biên độ và tần số như nhau ở hai thời điểm động cơ tăng tốc và giảm tốc, giá trị tín hiệu điều khiển cũng đạt biên độ dao động nhỏ hơn hai bộ điều khiển cịn lại (vì giá trị và biên độ rất lớn nên không thể hiện trong hình 6.10), sai số giữa dịng điện thực tế và dòng điện ước lượng từ phương pháp FONTSM được thể hiện trong hình 6.11.
Xét trường hợp giá trị điện trở và độ tự cảm thay đổi: Để chứng minh được
ưu điểm của lý thuyết điều khiển trượt khi ứng dụng trong mơ hình có thơng số động cơ không đồng bộ bao gồm điện trở stator và độ tự cảm thay đổi theo độ lớn:
L L
R
Rˆ 1.5 , ˆ 1.5 .
Hình 6.13. Sai số giá trị tốc độ ước lượng
Bảng 6.3. Kết quả ước lượng tốc độ các bộ điều khiển
STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM
1 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.83 0.82 0.81 2 Độ vọt lố (overshoot) (%) 12.9 9.7 4.2 3 Sai số xác lập (rad/s) 6.33 3.92 1.83 4 Tích phân bình
phương sai lệch (ISE) 27.78 22.11 5.13 Từ đồ thị hiển thị kết quả tốc độ ước lượng như hình 6.12 và bảng kết quả 6.3 chứng minh tốc độ ước lượng các bộ điều khiển trượt vẫn đảm bảo khi thơng số mơ hình thay đổi. Giá trị tốc độ của bộ ước lượng được nghiên cứu (FONTSM) đạt sai số xác lập 1.83(rad/s) trong thời gian 0.81(s), biên độ dao động lớn hơn khi động cơ có thơng số mơ hình chưa thay đổi 0.187(rad/s), tuy nhiên vẫn ổn định hơn so với tốc độ ước lượng được từ phương pháp trượt NTSM (3.92 rad/s) và phương pháp SLM(6.33 rad/s). Từ đồ thị hình 6.13 và số liệu tích phân bình phương sai số (ISE) ở bảng 6.3 chứng minh phương pháp FONTSM vẫn giữ được ưu điểm hơn trong việc khắc phục hiện tượng chattering so với hai phương pháp đã được nghiên cứu trước là trượt cổ điển SLM và phương pháp với mặt trượt NTSM.
Xét trường hợp động cơ hoạt động với tải: Để chứng minh chất lượng của
bộ điều khiển DTC khi sử dụng giá trị hồi tiếp là tốc độ ước lượng được từ lý thuyết nghiên cứu, xét trường hợp đóng tải tại hai thời điểm 1.25(s) và thời điểm 2.5(s).
Hình 6.14. Giá trị tốc độ ước lượng và tốc độ thật khi có tải tác động
Hình 6.15. Sai số giá trị tốc độ ước lượng
Từ đồ thị hình 6.14 và đồ thị hình 6.15, chứng minh giá trị tốc độ vẫn đáp ứng tốt khi động cơ có tải thay đổi. Tại thời điểm có tải lần đầu (1.25s), tốc độ thực của động cơ thay đổi từ khoảng 210(rad/s) giảm xuống còn khoảng 200(rad/s) và đạt ổn định trở lại tại thời điểm 1.5(s), khi đó tốc độ ước lượng được từ phương pháp nghiên cứu FONTSM (đường màu tím) thay đổi theo tốc độ thực nhanh chóng, sai số lớn
nhất trong thời gian từ khi tốc độ thay đổi đến khi tốc độ ổn định trở lại khoảng 3 (rad/s), trong khi đó giá trị sai số của phương pháp NTSM là 7(rad/s). Tại thời điểm đóng tải ở 2.5(s), giá trị sai số tốc độ ước lượng từ phương pháp FONTSM trong khoảng 5(rad/s), phương pháp NTSM là 17(rad/s).
Từ kết quả đáp ứng ở hai lần đóng tải khác nhau, chứng minh phương pháp nghiên cứu FONTSM cho kết quả sai số thấp nhất, và thời gian đáp ứng nhanh hơn phương pháp NTSM, điều này chứng có thể ứng dụng lý thuyết nghiên cứu FONTSM cho bộ điều khiển DTC trong trường hợp động cơ có tải thay đổi.
6.3.2. Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm được thực hiện trên động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có thơng số như bảng 6.4. Dịng điện và điện áp stator được đo từ cảm biến truyền tín hiệu tới card PCI-6024E, vận tốc thực của động cơ được đo từ encoder 800 ppr và được đọc bởi module Quad-04D của card PCI-8280. Sử dụng truyền thông TCP/IP giữa PC Target và máy tính Host. Nguồn cơng suất cung cấp cho động cơ hoạt động : 380VAC, thời gian lấy mẫu các bộ ước lượng là 0.05 ms, tần số đóng ngắt PWM là 15kHz.
Bảng 6.4. Thông số động cơ IM thực nghiệm
Kiểu rotor Lồng sóc
Điện áp V 380V
Tần số f 50Hz
Điện trở stator Rs 6 Ohm
Cảm kháng stator Ls 9.4375mH
Điện trỡ rotor Rr 3.21875 Ohm
Cảm kháng rotor Lr 9.75 mH
Cảm kháng hỗ cảm Lm 0.297 H
Trong thiết kế bộ điều khiển cho mơ hình thực nghiệm, các thông số điều khiển của bộ ước lượng trượt bậc cao được chọn: p5,q3,0, 0.00001
45
2 1
Hình 6.16. Đáp ứng tốc độ ước lượng so với tốc độ thật
Hình 6.17. Sai số tốc độ ước lượng và tốc độ thật
Từ đồ thị đáp ứng tốc độ hình 6.16 ta thấy giá trị ước lượng đạt được đáp ứng với thời gian khoảng 0.38(s), và giá trị ước lượng dao động quanh giá trị thật với biên độ nhỏ, sai số lớn nhất ở thời điểm động cơ tăng tốc, khi đạt xác lập giá trị sai số giảm và ổn định đến khi kết thúc thực nghiệm, biên độ sai số trung bình khoảng 1%, với sai số lớn nhất là 5%.
Hình 6.19. Sai số dịng điện ước lượng
Từ kết quả đồ thị hình 6.19, chứng tỏ dòng điện quan sát bám sát giá trị dòng điện thực tế ở cả hai pha của hệ tọa độ cố định (α-β), trong khoảng thời gian từ 0 đến 0.3(s) là thời gian tăng tốc khi đó cần mơ-men lớn để khởi động động cơ, do đó biên độ dao động của dịng điện cao dẫn đến ảnh hưởng giá trị ước lượng, sai số lớn nhất trong khoảng 3(A), tuy nhiên khi động cơ đạt tốc độ ổn định, giá trị sai số dòng điện quan sát đạt được rất nhỏ khoảng 0.1(A).
Hình 6.20. Từ thơng rotor ước lượng
Đồ thị hình 6.20 và 6.21 thể hiện giá trị từ thông rotor ước lượng được và giá trị từ thông thực tế. Đồ thị thể hiện giá trị từ thông quan sát từ bộ điều khiển trượt được thiết đế đạt được giá trị xác lập khoảng thời gian 0.2(s), và tồn tại giá trị xác lập khoảng 0.003(Wb) trong suốt thời gian điều khiển.
Hình 6.22. Mơ-men ước lượng và mơ-men thực tế
Hình 6.23. Sai số giữa mơ-men ước lượng và lượng và mơ-men thực tế
Đồ thị hình 6.22 và 6.23 thể hiện giá trị mô-men đo được, mô-men ước lượng và sai số của chúng. Giá trị mô-men tăng ở thời gian từ 0 đến 0.4(s) do động cơ chưa đạt vận tốc mong muốn, từ khoảng thời gian sau 0.4(s) tốc độ động cơ đạt được giá trị xác lập, do đó mơ-men duy trì ở mức ổn định khoảng 1.8(Nm).
6.4. Kết luận
Trong chương 6, tác giả đã xây dựng thuật tốn ước lượng thơng số cho động cơ điện xoay chiều không đồng bộ rotor lồng sóc, kết quả ước lượng ứng dụng cho phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men, giá trị quan sát là tốc độ rotor được hồi tiếp trực tiếp về bộ điều khiển, làm cơ sở tham chiếu để lựa chọn véc-tơ đóng ngắt
các khóa bán dẫn. Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm chứng minh được lý thuyết nghiên cứu đạt được giá trị ước lượng với độ chính xác cao hơn các bộ điều khiển được nghiên cứu trước đây, từ kết quả đáp ứng tốc độ ước lượng ta thấy đã khắc phục được hiện tượng chattering, là nhược điểm mà các bộ điều khiển trượt cổ điển không giải quyết được.
Ở mục 6.2.1 và 6.2.2 thể hiện kết quả đạt được của bộ ước lượng sử dụng bộ trượt được thiết kế trong luận án, chứng minh tốc độ ước lượng được từ phương pháp nghiên cứu đạt động học nhanh với thời gian đáp ứng 0.65(s), đồng thời hiện tượng chattering đáng kể (0.187 rad/s), với phương pháp NTSM kết quả là 1.21(rad/s), và lớn nhất là SLM với giá trị 3.02(rad/s).
Ngồi ra, trường hợp thơng số mơ hình thay đổi và đáp ứng với tải cũng được xem xét. Từ kết quả đáp ứng ở hai lần đóng tải khác nhau, chứng minh phương pháp nghiên cứu FONTSM cho kết quả sai số thấp nhất hồn tồn có thể ứng dụng lý thuyết nghiên cứu FONTSM cho bộ điều khiển trực tiếp mô-men (DTC) trong điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha rotor lồng sóc. Nội dung nghiên cứu trong chương này được sử dụng cho các loại động cơ điện xoay chiều không đồng bộ rotor lồng sóc với thơng số kỹ thuật: điện áp hoạt động tối đa (380Vdc), dòng điện tối đa (15A), tốc độ : 400-2400 (rpm).
Với những nội dung được nghiên cứu liên quan trong chương này, tác giả đã công bố bài báo [1] trong danh mục bài báo đã công bố.
CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN 7.1. Những nội dung nghiên cứu chính của luận án
Luận án tập trung nghiên cứu khắc phục nhược điểm của lý thuyết điều khiển trượt nhằm làm giảm hiện tượng chattering và thời gian đáp ứng của hệ thống, ứng dụng để ước lượng thông số cơ điện cho các loại động cơ điện. Tín hiệu đầu vào của bộ ước lượng là giá trị dòng điện và điện áp stator được đo trực tiếp bằng cảm biến; giá trị ước lượng được là góc, vận tốc rotor và từ thơng rotor.
Ý tưởng phát triển lý thuyết điều khiển trượt là tích hợp thêm hai thành phần tích phân và đạo hàm của sai số dòng điện vào biến trạng thái của mặt trượt NTSM, làm cho biến trạng thái sẽ tiến nhanh về mặt trượt hơn các phương pháp nghiên cứu trước đây khi chỉ sử dụng duy nhất một thành phần là sai số giữa dòng điện quan sát và dòng điện thực tế, kết quả làm cho hiện tượng chattering gần như triệt tiêu, dẫn đến giá trị ước lượng được chính xác hơn và có thể được sử dụng trực tiếp cho các bộ điều khiển mà không cần qua các bộ lọc tần số cao như phương pháp trượt cổ điển. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm được thể hiện ở chương 4 (ước lượng động cơ điện một chiều), chương 5(ước lượng động cơ PMSM trong phương pháp tựa từ thông FOC), và chương 6(ước lượng động cơ khơng đồng bộ ba pha rotor lồng sóc trong phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men DTC). Ưu điểm của lý thuyết nghiên cứu (FONTSM) so với các nghiên cứu như trượt cổ điển (SLM) và trượt NTSM được thể hiện ở bảng tổng hợp 7.1.
Bảng 7.1. Bảng tổng hợp kết quả ước lượng
Ước lượng tốc độ động cơ DC
STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM
1 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.095 0.053 0.045
2 Độ vọt lố (overshoot) (%) 0.490 0.121 0.020
3 Sai số xác lập (rad/s) 5.3 0.65 0.03
4 Tích phân bình phương sai
lệch (ISE) 116.2 62.67 18.45
Ước lượng tốc độ động cơ PMSM
1 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.55 0.52 0.48
2 Độ vọt lố (overshoot) (%) 11.25 6.25 3.75
3 Sai số xác lập (rad/s) 3.8 1.2 0.3
4 Tích phân bình phương sai lệch (ISE)
11.44 3.506 0.8061
Ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc
STT Thơng số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM
1 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.83 0.80 0.65
2 Độ vọt lố (overshoot) (%) 1.5 0.6 0.3
3 Sai số xác lập (rad/s) 3.02 1.21 0.187
4 Tích phân bình phương sai lệch (ISE)
19.5 13.98 3.48
Để kiểm chứng ưu điểm của lý thuyết được thiết kế, kết quả mô phỏng được so sánh với các phương pháp nghiên cứu trước và được thực hiện trên cùng một phần mềm mô phỏng Matlab/simulink với các thông số khởi tạo đối tượng mô phỏng giống nhau; thực nghiệm được thực hiện trên môi trường điều khiển, đo kiểm thời gian thực Hardware – in – The – Loop sử dụng công cụ xPC Target.
7.2. Những đóng góp khoa học mới của luận án
Dựa trên mơ hình tốn học của các loại động cơ, và các phương pháp điều khiển, tác giả đã phát triển thuật tốn ước lượng thơng số cơ điện. Cụ thể như sau:
Thuật tốn ước lượng thơng số cơ điện động cơ điện một chiều sử dụng bộ điều khiển trượt bậc cao.
Thuật tốn ước lượng thơng số cơ điện động cơ điện xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng bộ điều khiển trượt bậc cao trong hệ tọa độ chuyển động d-q.
Thuật tốn ước lượng thơng số cơ điện động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc sử dụng bộ điều khiển trượt bậc cao trong hệ tọa độ cố định (α-β).
7.3. Định hướng nghiên cứu phát triển
Tiếp tục nghiên cứu, phát triển lý thuyết trượt cho các bộ điều khiển tốc độ và mô-men động cơ và các hệ thống phi tuyến khác như: mobile robot, tay máy, cơ cấu…
Phát triển phương pháp tự động hiệu chỉnh thông số hệ thống phù hợp với mơ hình điều khiển cho các hệ động cơ.
Nghiên cứu, tích hợp lý thuyết nghiên cứu vào các bộ điều khiển có kích thước nhỏ như FPGA và vi điều khiển.
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ
1. Tan-No Nguyen, Thanh-Binh Pham, Van-Trong Hoang, Tan-Tien Nguyen, Viet-Long Nguyen, Nguyen-Vu Truong, "Efficient Sensorless Speed Estimation of
Electrical Servo Drives Using a Full-Order Nonsingular Terminal Sliding Mode Observer", Mathematical Problems in Engineering, vol. 2021, Article ID 8175848, 8 pages, 2021.
2.Trong-Toan Tran, Tan-No Nguyen, Duc-Duy Nguyen, Viet-Long Nguyen, Nguyen-Vu Truong, "Robust Adaptive Output Feedback Control for a Class of
Underactuated Aerial Vehicles with Input and Output Constraints", Mathematical
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. D. Cherifi, Online Stator and Rotor Resistance Estimation Scheme Using Sliding Mode Observer for Indirect Vector Controlled Speed Sensorless Induction Motor, Am. J. Comput. Sci. Technol., 2019, 2 (1), 1.
2. Y. C. Luo, Z. S. Ke, and Y. P. Kuo, Sensorless vector controlled induction motor drive with optimization algorithm speed controller design strategy, Proc.
- 2014 Int. Symp. Comput. Consum. Control, 2014, 2014 (1), 888–891.
3. B. Hekimoglu, Optimal Tuning of Fractional Order PID Controller for DC Motor Speed Control via Chaotic Atom Search Optimization Algorithm, IEEE
Access, 2019, 7 (1), 38100–38114.
4. S. K. Kommuri, K. C. Veluvolu, M. Defoort, and Y. C. Soh, Higher-order sliding mode observer for speed and position estimation in pmsm, Math. Probl.
Eng., 2014, 2014 (1), 1–12.
5. A. Ferreira de Loza, L. Fridman, L. T. Aguilar, and R. Iriarte, High-order sliding-mode observer–based input-output linearization, Int. J. Robust
Nonlinear Control, 2019, 29 (10), 3183–3199.
6. Y. S. Mohamed and A. A. Zaki, Stator Resistance and Speed Estimation for Induction Motor Drives As Influenced by Saturation, Online J. Electron. Electr.