Thiết kế bộ điều khiển Adaptive Backstepping cho truyền động điện không đồng bộ có bão hòa từ thông

g cơ KĐB trong hệ tọa độ từ thông rotor: 
     
' ' '
2 2 1 1 4 4
3 3 3 3 3
' ' '
2 2 3 3 1 1 4 5
1
. . . . .
. . . . .
d s s s
d q rd sd sq
q
s d s q s rd sd sq
s
s
di ab b b ab ab b a
i i u u
dt b b b b b
di
g g i g g i g g g u g u
dt
d
dt

 

 
  

   


   
     


       




 (6) 
Sau khi kiểm tra thỏa mãn các điều kiện tuyến tính hóa chính xác trong [6], thì với bộ điều 
khiển phản hồi trạng thái có dạng (7): 
 
' ' '
2 1 4
2 1 1 2
1 2 3 3 3
3 31 1
' ' '
2 2 1 3 2 2 1 3 2 1 2
3 3
1 0 . . .
. .
. . 0 1 . . .
0 0 0 1
rd
rd
b ab b
ab b x x
x x b b b
b bu w
u g x g x g x g x g w
u w


  
             
                  
            
    
  
 (7) 
Chúng ta đưa mô hình động cơ không đồng bộ trở thành hệ tuyến tính. Ngoài ra, với bộ điều 
khiển phản hồi trạng thái có gán điểm cực từ những điểm cực đặt trước: 
 
' ' '
2 1 2 1 4
1 2 1 1 1 2 3 3
3 3 3 3 3
1
' ' '
2 2 1 3 2 2 2 2 1 3 2 1 3 3
3
3 3
' ' '
2 1 4
1 2
3 3 3
'
2 1
. . . . .
. . . . .
1 0 . . .
0 1 .
r rd r
r rd r
r
rd
ab b b ab b
x x p x x x x p
b b b b b
u
u g x g x p x g x g x g x p
u x p
b ab b
x x
b b b
g x



  
       
   
           
     
 
  
 
   
 
   
1
' '
3 2 1 2
3
. .
0 0 1
rd
w
g x g w
w

 
 
   
      
     
 
  
(8) 
Ta được mô hình động cơ không đồng bộ trở thành hệ tuyến tính như sau: 






























zy
wz
p
p
p
z
r
r
r
100
010
001
00
00
00
3
2
1
 (9) 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 42 
Quan sát (7), (8) và (9) chúng ta thấy hệ thống đã có cấu trúc tách kênh trực tiếp (TKTT), 
mỗi đầu ra chỉ phụ thuộc duy nhất vào một đầu vào, luật điều khiển phản hồi trạng thái chỉ yêu cầu 
biến đổi đại số không tồn tại phép tích phân hoặc vi phân. Ngoài ra, ta có thể rời rạc hoá mô hình 
này một cách dễ dàng sử dụng phương pháp Forward Euler. 
4. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng Adaptive Backstepping bền vững 
Nhằm nâng cao chất lượng bộ điều khiển trong các chế độ làm việc của động cơ nhất là các 
chế độ làm việc động, phụ tải nặng nhọc, thì khi thiết kế bộ điều khiển cần thiết phải xét đến các 
yếu tố gây ra dao động. Sự dao động của góc, tần số góc mạch stator, của từ thông rotor, của điện 
áp stator và của tốc độ động cơ phải được tính đến thông qua các thành phần nhiễu dao động phi 
tuyến tương ứng ' ', , , , , ,s rd rq sd squ u    được cộng thêm vào các giá trị ở chế độ xác lập như sau: 
' ' '
' ' '
ˆ ˆ ˆ ˆ; ; ; ;
ˆ ˆ ˆ; ;
s s s s s s rd rd rd
rq rq rq sd sd sd sq sq squ u u u u u
           
  
       
     
 (10) 
Để kể tới các dao động phi tuyến kể trên, ta áp dụng phương pháp ‘Adaptive backstepping’ 
trên cơ sở ổn định Lyapunov nhằm thiết kế bộ điều khiển bền vững với nhiễu và các sự cố nêu 
trên của động cơ. Thay các giá trị thực (10) ở trên vào bộ điều chỉnh Backstepping đã tổng hợp 
được ở [9] và chọn các sai lệch và hàm điều khiển: 
*
1
*
2
d d
q q
z i i
z i i
 
 
  

 
, và chọn hàm điều khiển 
Lyapunov mới có kể đến các thành phần nhiễu dao động phi tuyến (10) như sau: 
   
       
22
0*
1 1
11 12
2 2 22
0*
2 2
21 22 23 24
.
2 2
.
2 2 2 2
rdq s
rd rd rdd s
d i
v
b i
v




 
  

   

   



    

 (11) 
Đạo hàm (11), ta được: 
   
       
   
       
0 0* 2 2
1 11 12 1 11 12 1 11 1 12 0 1
11 12
0 0* 2 2
2 21 22 2 21 22 2 21 2 22 2
21 22
. .
1 . .
. .
1
rd rdq s q s
rd rdd s d s
dd i d d i
v k k z dt k k z z e z
dt dt
db i d b i
v k k z dt k k z z z
dt dt
 
 
  
 
 
  
 
 
  
          
   
   
 
         
  
  


       
23 2 24 2
23 24
rd rd rd rdd d
z z
dt dt
   
 
 




 

 

   
      
       
(12) 
Để cho thỏa mãn: 
*
1
*
2
0
0
v
v
 


, ta sẽ có được các biểu thức như sau: 
0 11 1 13 0 1
0 21 2 22 2 23 2 24 2
. ; .
. ; ; ;
q s rd
d s rd rd rd
d i z dt e z dt
b i z dt z dt z dt z dt


   
       
   

    
 
   
 (13) 
Thay (13) vào phương trình bộ điều khiển ban đầu khi có xét đến các thành phần nhiễu dao 
động phi tuyến, ta được bộ điều khiển thành phần di và qi bền vững như sau: 
   
   
0 1 1 0 2 0 3 0
*
1 11 12 1 11 12 1
*
2
0 21 22 2 21 22 2 0 11 1 12 0 1
13 1
. .
1
1 . . .
d r d r q q s r q s
d
sd
q
rd
c i a p i b p i d i p d i
di
a k k z dt k k z
dt
u
di
b k k z dt k k z e z dt e z dt
dt
z dt
    


 
  

    
 
  
        
  
  
             
  
 
 

  

 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 43 
   
   
0 2 2 0 1 0 3 0
*
0 11 12 1 11 12 1
*
2 21 22 2 21 22 2 21 2 22 2
23 2 24 2 25 2
. .
1
1 . . . . .
q r q r d d s r d s
d
sq
q
rd
c i a p i b p i d i p d i
di
b k k z dt k k z
dt
u
di
a k k z dt k k z z dt z dt
dt
z dt z dt z dt
    


 
  
  
   

 
        
 
 
           
 
  


  
  











 (14) 
Từ (8), (9) và (14) ở trên ta có sơ đồ cấu trúc hình 2 là cấu trúc điều khiển tuyến tính trong 
đó sử dụng phương pháp tách kênh gián tiếp thông qua thiết kế bộ điều chỉnh dòng stator. 
Hình 2. Cấu trúc của bộ điều chỉnh dòng phi tuyến 
5. Mô hình mô phỏng và thực nghiệm 
Hình 3 chỉ ra các thiết bị cho mô phỏng và thực nghiệm bao gồm: (1)Induction motor 5.5KW, 
1450 rpm; (2) PC/Matlab/Simulink + Card DSPase 1103; (3) Mạch công suất: Bombuler Bus623; 
(4)Tải: Drive REFU500 + Synchronous motor 5.5KW, 1500 rpm. 
Hình 3. Cấu trúc cơ bản của hệ mô phỏng và thực nghiệm 
Mô phỏng và thực nghiệm trong các chế độ động bằng cách đảo chiều động cơ liên tục và 
cho phụ tải dao động lớn với nhiễu phi tuyến cho thấy trong mọi dải tốc độ thì hệ thống đều có thời 
gian đáp ứng rất ngắn 200ms, độ quá chỉnh của tốc độ nhỏ hơn 7rpm và dòng điện không vượt 
quá 5A khi đảo chiều đột ngột ở hình 4a, Trong trường hợp sử dụng bộ điều chỉnh Adaptive 
Backstepping cùng với khâu tách kênh trực tiếp có bù thích nghi trong chế độ gia tốc nhanh và 
hãm với thời gian ngắn thì hệ phản ứng tốt, đáp ứng tốc độ động cơ (màu xanh) gần như không có 
ảnh hưởng và bám tuyệt đối theo đường giá trị đặt (màu đỏ) ở hình 4b. Điều này thể hiện tính chất 
thích nghi và bền vững của thuật toán cũng như khả năng tách kênh rất tốt của phương pháp. 
 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 44 
a) 
b) 
Hình 4. Đáp ứng tốc độ, từ thông rotor và dòng stator của hệ thống 
6. Kết luận 
Các mô phỏng và thực nghiệm đối với bộ điều chỉnh Adaptive Backstepping đều khẳng định 
tính bền vững của bộ điều chỉnh dòng khi tác động của nhiễu. Trong khi nhiễu tác động, hệ thống 
vẫn thực hiện cung cấp mômen để đảm bảo quá trình động học, đồng thời bộ điều khiển vẫn duy 
trì thành phần dòng isd để ổn định giá trị từ thông nhằm hỗ trợ quá trình áp đặt nhanh của mômen. 
Từ kết quả thu được bước đầu đã khẳng định một hướng đi mới trong điều khiển phi tuyến 
truyền động điện không đồng bộ đầy tiềm năng. Để hoàn thiện về mặt lý thuyết cũng như chứng 
minh khả năng áp dụng vào thực tiễn thì các vấn đề khác tiếp theo cần phải giải quyết như quan 
sát từ thông rotor bằng bộ quan sát Kalman trong mô hình mới của động cơ KĐB, điều khiển 
không dùng cảm biến tốc độ, thích nghi hằng số thời gian rotor. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. F. Abdollahi and K. Khorasani (2006), “Stable Robust Adaptive Controller for a Class of 
Nonlinear Systems”, The 2006 IEEE International Conference on Control Applications, 
Germany, pp. 1825. 
[2]. H. Ouadi, F.Giri, F. Ikhouane (2002), Backstepping Control of Saturated Induction Motors, 15th 
Triennial World Congress, Barcenola, Spain. 
[3]. Jeffrey T. Spooner, Mangredi Maggiore, Raúl Ordónez, Kelvin M. Passino (2002), Stable 
Adaptive Control and Estimation for Nonlinear Systems: Neural and Fuzzy Approximator 
Techniques, Wiley Interscience, USA. 
[4]. Nguyễn Phùng Quang, Dittrich, A (2002), Truyền động điện thông minh. NXB Khoa học và Kỹ 
thuật, Hà Nội. 
[5]. Nguyen Phung Quang, Andreas Dittrich, (2008), Vector Control of Three-Phase AC. Machines- 
System Development in the Practice. Spinger. 
[6]. Nguyến Doãn Phước: Lý thuyết điều khiển nâng cao. NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà nội, 2007 
[7]. Sullivan, C.R. and S.R. Sanders (1992). Modeling the effects of magnetic saturation on 
electrical machine control systems. In: Proc. IFAC Symposium. 
[8]. Tan, H. and J. Chang (1999). Adaptive backstepping control of induction motor with 
uncertainties. In: IEEE-ACC. SanDiego, California. 
[9]. Tuan, D.A and Quang, N.P (2010), “A New and Effective Controller for Induction Motors 
applying Direct-Decoupling Methodology based on Exact Linearization Algorithm and Adaptive 
Backstepping Technology”, International Conference on Control, Automation and Systems 
2010, Oct. 27-30, 2010 in KINTEX, Gyeonggi-do, Korea. 
Ngày nhận bài: 20/02/2017 
Ngày phản biện: 20/4/2017 
Ngày duyệt đăng: 24/4/2017 
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-2000
-1000
0
1000
2000
Time [s]
S
p
e
e
d
 [
rp
m
]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-50
0
50
Time [s]
is
d
 [
A
]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-50
0
50
Time [s]
is
q
 [
A
]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Time [s]
S
p
e
e
d
 [
rp
m
]