Ứng dụng bộ quan sát phi tuyến đều cục bộ trong ước lượng trạng thái của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
24 Số 15 tháng 2-2018 
ỨNG DỤNG BỘ QUAN SÁT PHI TUYẾN ĐỀU CỤC BỘ 
TRONG ƢỚC LƢỢNG TRẠNG THÁI 
CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP 
APPLICATION OF A LOCALLY UNIFORMLY NONLINEAR OBSERVER TO THE 
STATE ESTIMATION OF SERIES CONNECTED DIRECT CURRENT MOTOR 
Vũ Hoàng Giang 
Trường Đại học Điện lực 
Ngày nhận bài: 27/11/2017, Ngày chấp nhận đăng: 26/2/2018, Phản biện: TS. M i Hoàng Công Minh 
Tóm tắt: 
Thông tin về bi n trạng thái cơ học rất cần thi t cho quá trình điều khiển và vận hành các bộ truyền 
động điện nói chung. Giá trị tức thời c a các bi n trạng thái này có thể thu đư c bằng cách s d ng 
các cảm bi n hoặc ước lư ng từ các giá trị đo có sẵn. Giải pháp s u thường thu hút đư c nhiều sự 
quan tâm trong cả nghiên cứu và ứng d ng khi giảm đư c chi phí và tính phức tạp c a hệ thống. Bài 
báo giới thiệu một ứng d ng c a bộ qu n sát trong ước lư ng mômen tải và tốc độ quay c động 
cơ điện một chiều (ĐCMC) kích từ nối ti p. Dựa trên mô hình phi tuy n c a c ĐCMC k ch từ nối 
ti p, mô hình hệ thống với cấu trúc dạng phi tuy n chính tắc đư c lựa chọn để thi t k bộ quan sát 
phi tuy n. Bộ qu n sát thu đư c có đáp ứng nhanh và có thể ước lư ng đư c các bi n trạng thái cơ 
học c động cơ theo dòng điện phần ứng. Mô phỏng trên máy tính cho k t quả tốt xác nhận tính 
h p lệ c a bộ qu n sát đ đư c thi t k . 
Từ khóa: 
Động cơ điện một chiều kích từ nối ti p, ước lư ng trạng thái, quan sát mômen; quan sát tốc độ 
quay, hệ phi tuy n qu n sát đư c đều c c bộ. 
Abstract: 
The knowledge of mechanical state variables is essential for the control and operation of electric 
drives in general. Instant values of these variables can be obtained by using either sensors or 
estimated by utilizing observers on the basis of available measurement. The latter solution has been 
received much attention in both research and industrial application since it allows to reduce the cost 
and complexity of the system. The paper introduces an application of locally uniformly nonlinear 
observer to the observation of load torque and speed of series connected direct current (DC) motor. 
Based on the nonlinear model of series connected DC motor, the system with a canonical form is 
selected in order to design a nonlinear observer. The observer provides with robust responses and 
ability of estimating motor mechanical variables on the basis of armature current measurement. 
Computer simulation gives good results that confirms the performance of the developed observer. 
Keywords: 
Direct current motor, state estimation, torque observation, speed observation, locally uniformly 
observable nonlinear system. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 15 tháng 2-2018 25 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Ngày nay máy điện một chiều vẫn đóng 
một vai trò nhất định trong lĩnh vực có 
yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như máy 
cán, giao thông vận tải, hầm mỏ, dầu 
khí... nhờ các ưu điểm về mômen mở máy 
lớn, đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng 
phẳng và phạm vi điều chỉnh rộng. Trong 
nhóm các ĐCMC, loại có kích từ nối tiếp 
phù hợp với các ứng dụng có yêu cầu 
mômen lớn ở tốc độ thấp như cần cẩu, 
thang máy, băng tải, khoan dầu...[1]. Tuy 
nhiên, so với loại có kích từ song song 
hoặc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, 
loại máy điện này có mô hình phức tạp 
hơn do mômen điện từ tỷ lệ với bình 
phương của dòng điện phần ứng trong 
vùng chưa bão hòa. Đây là lý do cần áp 
dụng kiến thức về điều khiển và quan sát 
hệ phi tuyến cho ĐCMC kích từ nối tiếp 
để đáp ứng được yêu cầu về điều khiển và 
ước lượng thông số. 
Trong các nghiên cứu về ước lượng trạng 
thái của ĐCMC, giống như nhiều hệ 
thống sử dụng máy điện khác, bộ lọc 
Kalman thường là một lựa chọn phổ biến. 
Các bộ quan sát dựa trên bộ lọc Kalman 
mở rộng hoặc thích nghi đã được đề xuất 
để ước lượng các biến trạng thái cơ học 
của ĐCMC [2], [3]. Nhược điểm chính 
của các bộ quan sát họ Kalman là đòi hỏi 
khối lượng tính toán lớn. Trong [4], bộ 
quan sát từng bước (step-by-step) ứng 
dụng phép sai phân trượt bậc hai đã được 
phát triển để quan sát tốc độ quay dựa 
trên phép đo dòng điện phần ứng. Trong 
[5], mômen tải đã được ước lượng sử 
dụng trong bộ điều khiển truyền thẳng 
(feed-forward) thích nghi của ĐCMC cấp 
nguồn qua bộ biến đổi tăng áp DC-DC. 
Tuy nhiên đối tượng là ĐCMC kích thích 
nam châm vĩnh cửu thuộc nhóm có mô 
hình tuyến tính nên trạng thái có thể ước 
lượng đơn giản hơn trường hợp mô hình 
phi tuyến. Một nghiên cứu khá đầy đủ với 
nhiều loại bộ quan sát khác nhau đã được 
đề cập tới như bộ quan sát có hệ số hiệu 
chỉnh lớn (high-gain), Luenberger, và 
Kalman mở rộng [3]. Các bộ quan sát này 
được phối hợp với nhau để có thể ước 
lượng trạng thái với mục tiêu là khử nhiễu 
tốt đồng thời kết quả quan sát đủ chính 
xác để có thể sử dụng được. Tuy nhiên chỉ 
kết quả quan sát tốc độ quay được công 
bố và quá trình tính toán lựa chọn mô 
hình và thông số của bộ quan sát chưa 
được thể hiện chi tiết. Gần đây, bộ quan 
sát phi tuyến đều đã được áp dụng để ước 
lượng trạng thái cho máy điện đồng bộ 
kích thích nam châm vĩnh cửu [6]. Kết 
quả cho thấy khả năng quan sát biến trạng 
thái cơ học rất tốt với yêu cầu tối thiểu về 
thông số đầu ra. 
Với ý tưởng mở rộng ứng dụng của bộ 
quan sát phi tuyến đều cục bộ, bài báo 
giới thiệu kết quả nghiên cứu thiết kế bộ 
quan sát các đại lượng cơ học bao gồm 
tốc độ quay và mômen tải của ĐCMC 
kích từ nối tiếp. Ưu điểm của bộ quan sát 
là có ma trận hệ số hằng và chỉ dựa trên 
đầu ra là dòng điện phần ứng. 
Bài báo được bố cục như sau: Mục 2 giới 
thiệu mô hình của ĐCMC và bộ điều 
khiển tốc độ. Cấu trúc của bộ quan sát cho 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
26 Số 15 tháng 2-2018 
hệ phi tuyến quan sát được đều cục bộ 
được tổng hợp trong mục 3.