CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH TOÁN CỦA SPIM VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VECTOR KHÔNG GIAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG CẢM BIẾN SPIM
1.3 Các kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ sáu pha bất đối xứng
1.4.3 Chiến lược không cảm biến dựa trên mô hình
Các chiến lược này sử dụng mô hình toán của máy cùng với dòng và điện áp stator tức thời để ước tính tốc độ động cơ, giả sử phân bố của từ thông hình sin xung quanh khe hở không khí và sóng hài không gian không đáng kể [63]. Chiến lược dựa trên mô hình có khả năng cung cấp tốc độ động cơ chính xác và từ thông rotor ước
tính chính xác ở phạm vi tốc độ thấp (2% tốc độ định mức) [63]. Tuy nhiên, chúng gặp thất bại ở tốc độ thấp hơn do nhiều các yếu tố khác nhau. Điều này bao gồm độ nhạy tăng đối với biến thể thông số máy điện, suy giảm tín hiệu điện áp và dòng và do tính chất phi tuyến của biến tần [63],[86]. Ngoài ra, ở tần số 0, tín hiệu EMF cảm ứng trong mạch rotor biến mất và do đó khó khăn trong việc xác định được thông tin vị trí rotor [63,86,87].
Nguồn AC 3 pha
ψ * id* BĐK Vd Vα
Tính toán isd +_ dq
Từ thông
id PWM
+_ BĐK tốc độ iq* BĐK Vq αβ Vβ
+_ mô men INVERTER
*
ω r iq
ω r dq αβ
Iα Iβ
αβ a_b_c
A_B_C
Ɵe
ω r BQS SPIM
tốc độ
Hình 1. 8: Sơ đồ của hệ thống điều khiển vector không cảm biến hệ truyền động động cơ không đồng bộ sáu pha.
Các chiến lược không cảm biến dựa trên mô hình được phân thành ước lượng vòng hở và vòng kín. Trong đó, các bộ quan sát (ước lượng vòng kín) thích nghi theo mô hình tham chiếu mẫu (MRAS) được sử dụng rộng rãi do cấu trúc đơn giản và dễ sử dụng của nó.
1.4.4 MRAS và AI trong điều khiển không cảm biến hệ truyền động SPIM 1.4.4.1 MRAS cho điều khiển không cảm biến hệ truyền động SPIM
Các kỹ thuật điều khiển không cảm biến cho các hệ truyền động SPIM đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trong hai thập kỷ qua. Những ưu điểm tuyệt vời của bộ điều khiển không cảm biến bao gồm tính ổn định và bền vững làm nó có sức hấp dẫn trong nhiều ứng dụng công nghiệp đặc biệt hoạt động trong môi trường khắc
nhiệt. Trong một số chiến lược đã được đề xuất cho các hệ truyền động SPIM không cảm biến, MRAS là chiến lược được sử dụng phổ biến nhất do việc thực hiện đơn giản và nỗ lực tính toán thấp hơn so với các chiến lược khác. Tuy nhiên, các kỹ thuật này còn tồn tại một số vấn đề như: Nhạy cảm với sự thay đổi của tham số, các vấn đề tích phân thuần túy, vấn đề về điện áp stator và tính phi tuyến của biến tần.
Điều này dẫn đến chiến lược MRAS không cung cấp một đáp ứng thỏa đáng ở tần số thấp. Rất nhiều nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu để khắc phục những nhược điểm đã đề cập ở trên và cải thiện tính hiệu quả của MRAS cho điều khiển không có cảm biến hoạt động trong khu vực này.
1.4.4.2 Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong các hệ thống truyền động điện
Kỹ thuật AI đã nhận được nhiều sự quan tâm trong thập kỷ gần đây. Những chiến lược này bao gồm: Mạng nơ ron nhân tạo (NN), Logic mờ (FL), Thuật toán di truyền (GA) [88-89]. Ý tưởng chính của AI là bắt chước trí thông minh của con người dưới dạng một chương trình máy tính để giải quyết các vấn đề khó giải quyết bằng các phương pháp truyền thống. Trong khi FL dựa trên quy tắc kỹ thuật mô phỏng hành vi trải nghiệm của con người thì NN trực tiếp bắt chước hoạt động của não bộ con người với khả năng khái quát hóa và học tập [89]. GA là một kỹ thuật tìm kiếm ngẫu nhiên bắt chước cơ chế chọn lọc tự nhiên trong tự nhiên. So với các chiến lược kiểm soát cổ điển, các kỹ thuật AI loại bỏ sự cần thiết của mô hình toán học phức tạp và dựa trên một số giả định với một số thông số trên thực tế có thể khó đo lường [88]. Do đó, nó bền vững hơn trước sự thay đổi của các tham số của máy điện [88]. Hơn nữa, với khả năng thích nghi của nó, các kỹ thuật này có thể dẫn đến chất lượng điều khiển được cải thiện khi kết hợp với các phương pháp thông thường. Một số cuốn sách đã được xuất bản giới thiệu ứng dụng AI trong hệ thống điện và truyền động điện [88, 90]. Các kỹ thuật AI khác nhau được sử dụng cho các ứng dụng điều khiển không cảm biến [88, 91].
1.4.5 Những vấn đề tồn tại của kỹ thuật ước lượng dựa vào MRAS 1.4.5.1 Độ nhạy của thông số
Ước lượng tốc độ dựa trên mô hình tham chiếu nhìn chung rất nhạy với sự thay đổi của các tham số máy điện. Trong quá trình hoạt động của hệ truyền động,
các thông số động cơ thay đổi liên tục do nhiệt độ, tần số và độ bão hòa từ. Sự thay đổi nhiệt độ phụ thuộc vào tổn hao công suất của máy. Tổn hao đồng stator và rotor bị ảnh hưởng khi động cơ hoạt động với tải thay đổi và phụ thuộc vào từ thông của máy. Hơn nữa, các hằng số nhiệt của động cơ tự thay đổi theo tốc độ và giảm khi tốc độ tăng lên [55]. Sự thay đổi điện trở stator theo nhiệt độ, có thể lên đến lớn hơn 50% [63, 84], là một vấn đề rất nghiêm trọng ở tốc độ thấp [60]. Khi mà thành phần cơ bản của điện áp stator trở nên rất thấp. Do đó đặc tính thích nghi liên tục với sự thay đổi của điện trở stator được yêu cầu để duy trì hoạt động ổn định ở tốc độ thấp của hệ truyền động.
1.4.5.2 Vấn đề tích phân thuần túy
Tích phân thuần túy gây ra hiện tượng trôi dạt dc và các vấn đề về điều kiện ban đầu [72, 86]. Các bộ lọc thông thấp (LPF) với tần số giới hạn thấp, thường là 1- 3 Hz [63, 87], đã được đề xuất để thay thế bộ tích phân thuần túy [87]. Tuy nhiên, một LPF hoạt động giống như một bộ tích phân chỉ hoạt động ở tần số cao hơn tần số giới hạn của bộ lọc. Do đó, sử dụng LPF làm tăng sai số độ lợi về pha và làm trễ tốc độ ước tính so với tốc độ thực tế, có thể ảnh hưởng đến tính hiệu quả ở chế độ động của hệ truyền động [61, 92]. Ngoài ra, điều này có thể dẫn đến ước lượng tốc độ không chính xác dưới tần số giới hạn [72, 87]. Để khắc phục vấn đề này trong [97] đã giới thiệu một chiến lược Cascaded PCLPF thay thế tích phân thuần túy bằng các bộ lọc cascaded hằng số thời gian nhỏ để làm giảm thời gian phân rã và bù dc. Trong [93], một kỹ thuật khác được sử dụng ở đó từ thông rotor được ước lượng bằng cách định nghĩa một bộ tích phân biến đổi có đáp ứng tần số giống như bộ tích phân thuần túy ở trạng thái ổn định. Trong [94] đề xuất một bộ tích phân phản hồi phi tuyến để bù trôi dạt và bù dc được sử dụng cho bộ quan sát VM.
1.4.5.3 Vấn đề điện áp stator và tính chất phi tuyến của biến tần
Tín hiệu điện áp stator rất quan trọng trong các chiến lược dựa vào mô hình.
Việc thu được điện áp stator chính xác được đo qua các đầu cực của máy. Tuy nhiên, điều này không dễ dàng thực hiện vì nó đòi hỏi tỷ lệ lấy mẫu rất cao [86]. Lọc thông thấp các dạng sóng điện áp PWM có thể giải quyết vấn đề ở tốc độ trung bình và cao nhưng không đạt được hiệu quả ở tốc độ thấp, nơi mà độ lợi bộ lọc và lỗi pha làm chất lượng điều khiển xấu đi. Một phương pháp lọc phi tuyến khác gọi là kỹ thuật