Tổng quan phương pháp xác định thông số của máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu, đề xuất kỹ thuật dựa trên bộ quan sát với mô hình bậc hai

o của mạch từ trong quá trình làm việc bình không đổi nên độ chính xác ước lượng không được đảm 
thường và vẫn tồn tại sai số điện cảm. bảo và làm ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của hệ 
 Thí nghiệm với máy ở trạng thái đứng yên khi cho kích thống do các sai lệch thông số. 
thích bằng nguồn điện xoay chiều hình sin một pha cho 
phép xác định điện cảm của các cuộn dây stato và hỗ cảm 
giữa chúng, từ đó có thể xác định được điện cảm dọc trục 
và ngang trục trong mô hình của máy [5]. 
 Phương pháp đưa thêm tín hiệu vào để xác định thông 
số của máy được sử dụng khá phổ biến [6, 7, 8]. Tính chính 
xác trong xác định thông số đã được xác nhận bằng kết quả 
tính toán sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn 
(FEA). Tác giả trong [6] đề xuất phương pháp xác định điện 
trở và điện cảm của máy, ở đó bản đồ điện cảm theo không Hình 2. Cấu trúc xác định thông số dựa trên mô hình tham chiếu 
gian các trục dq và ba pha đã được xây dựng có xét đến hiện 
 Phương pháp dựa trên mô hình tham chiếu (MRAS) 
bão hòa và tương tác điện từ. Mô hình sai số trong hệ trục dq 
 được áp dụng để xác định điện trở, từ thông và điện cảm 
có xét đến tính phi tuyến của bộ nghịch lưu và phương pháp 
 dọc trục của MĐĐB-KTVC [14]. Cấu trúc của MRAS được thể 
bù không phụ thuộc vào thông số của bộ nghịch lưu, dựa 
 hiện trên hình 2. Trong [15], điện trở và điện cảm được ước 
trên phép nội suy Hermite. Mô hình tổng trở tương đương 
 lượng dựa trên mô hình của máy điện trong hệ tọa độ hai 
tần số cao được đề xuất trong [7], trong đó tín hiệu tần số 
 trục của stato ( ). Sự ảnh hưởng của tính phi tuyến của bộ 
cao được đưa vào cả hai trục d và q. Phương pháp này cho 
 biến đổi nguồn áp đã được xét đến và đề xuất phương 
phép xác định điện trở và điện cảm ở cả trạng thái dừng máy 
 pháp bù để nâng cao độ chính xác của kết quả ước lượng. 
và khi máy đang làm việc; xác định được hằng số từ thông 
 Ngoài ra, phương pháp ước lượng thông số còn dựa trên 
khi máy đang làm việc. Trong [8], tín hiệu điều hòa của điện 
 bộ lọc Kalman [10] hay bộ quan sát Luenberger [16]. 
áp được đưa vào trục  để xác định các điện cảm dọc trục 
và ngang trục; tín hiệu điện áp một chiều được đưa vào trục 3. PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ CỦA MÁY 
 để xác định điện trở. Các thông số đã được sử dụng trong ĐIỆN ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH DỰA VÀO BỘ QUAN SÁT 
sơ đồ điều khiển không cảm biến với bộ quan sát góc. PHI TUYẾN 
Phương pháp kích thích bằng sóng hài và phương pháp 3.1. Mô hình của MĐĐB-KTVC 
Gauss-Newton sử dụng mô hình Hammerstein [9]. Thông số Mô hình toán học thu gọn của MĐĐB-KTVC bề mặt 
của MĐĐB-KTVC có thể xác định dựa trên bộ lọc Kalman [10], (SPMSM) trong hệ tọa độ đồng bộ (dq) được mô tả bởi hệ 
ở đó sơ đồ có xét đến tính phi tuyến của bộ biến đổi nguồn phương trình sau [17]: 
áp trong bộ truyền động. 
 d 1 R
2.3. Phương pháp thực hiện trực tuyến id v d i d p w i q
 dt L L
 Như đã đề cập ở trên, tín hiệu bổ sung có thể đưa vào 
 d 1 R 
máy để xác định thông số ở trạng thái ngừng hoạt động. iq v q i q p w i d p w
 dt L L L (7) 
Nghiên cứu đã qua cho thấy, kỹ thuật này cũng có thể áp 
 d 1
dụng trực tuyến trong quá trình máy đang vận hành [7]. w TFTe v w m 
Ngoài ra cách tiếp cận thực tế cho các phương pháp thực dt J
 . 
hiện trực tuyến là áp dụng các thuật toán quan sát hay ước Te 15p i q
lượng thông số vào hệ thống. Các bộ quan sát thường gặp 
 Trong đó, id, iq: thành phần dòng điện stato theo các 
dựa trên mô hình tham chiếu (MRAS) hay thuật toán bình 
 trục d và q; vd, vq: thành phần điện áp stato theo các trục d 
phương cực tiểu. và q; w: tốc độ góc của rôto; : biên độ của từ thông của 
 Phương pháp bình phương cực tiểu [11, 12, 13] là kỹ rôto cảm ứng sang các pha của stato; R: điện trở của cuộn 
thuật dựa trên các phép đo các biến trạng thái là dòng điện dây stato; L: điện cảm pha của cuộn dây stato; p: số cặp cực; 
và điện áp để xác định các thông số của mô hình dựa trên Te: mô men điện từ; Tm: mô men cơ trên trục của máy điện; 
mô hình toán học bình phương cực tiểu. Tác giả trong [13] J: hằng số quán tính; và Fv: hệ số ma sát. 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 6 (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 33
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P - ISSN 1859 - 3585 E - ISSN 2615 - 961 9 
 Sơ đồ của hệ thống có điều khiển sử dụng MĐĐB-KTVC Hệ (8) có thể được viết dưới dạng ma trận như sau: 
 được thể hiện trên hình 3 [18]. Trong đó có hai vòng điều 
 x1 0 1 t x 1 f1 
 khiển: vòng điều khiển ngoài cho tốc độ quay của rôto và (9) 
 x 0 0 x 0
 vòng điều khiển trong cho dòng điện stato. 2 2 
 iq
 trong đó: x1 = iq; x2 = R; t ; 
 1 L
 1 
 f v p w i p w . 
 1LL q d
 Tác giả trong [21] đã chứng minh được với cấu trúc có 
 dạng (9), bộ quan sát có thể thiết kế với cấu trúc sau: 
 ˆ ˆ
 x1 0 1 t x1 f 1 
 t K xˆ y 
  0 0 xˆ 0 1 1 
 xˆ2 2 (10) 
 Hình 3. Sơ đồ mạch điều khiển MĐ ĐB-KTVC 
 y x1
 3.2. Thiết kế bộ quan sát Trong đó, K là ma trận hệ số, được xác định theo tần số 
 Qua phân tích trong mục 2 có thể thấy phương pháp 
 dao động tự nhiên wn và hệ số hãm  như sau: 
 ước lượng thông số rất đa dạng và tùy thuộc vào ứng dụng 
 2wn 
 cụ thể mà chúng được lựa chọn tương ứng. Để xác định 
 thông số ban đầu để triển khai ứng dụng MĐĐB-KTVC thì k 1 t 
 K 1 
 các phương pháp offline thường được sử dụng để xác định 2 
 k2 wn
 thông số nhờ ưu điểm có sơ đồ đơn giản và dễ thực hiện. 
 2 t 
 Tuy nhiên để giám sát thông số trực tuyến trong quá trình 1 
 làm việc thì các phương pháp dựa trên các bộ quan sát Hình 4 thể hiện kết quả mô phỏng từ khi khởi động máy 
 thường được sử dụng giống như trong các hệ điều khiển cho đến khi mang tải. Tốc độ đặt là 1000; 600 và 1500 
 không cảm biến mà ở đó phản hồi được quan sát dựa trên vòng/phút tương ứng trong các khoảng thời gian (0-1)s; (1-
 các đại lượng sẵn có hoặc số ít các đo đếm. 2)s và (2-3)s. Ngoài ra giá trị mô men tải được thiết lập tăng 
 Không nằm ngoài xu hướng chung, mục này giới thiệu dần tại các thời điểm 0s; 0,5s; và 0,7s; giảm tại thời điểm 
 một phương pháp ước lượng các thông số của MĐĐB-KTVC 1,5s và tăng trở lại tại thời điểm 1,7s. Kết quả là thành phần 
 dựa trên bộ quan sát áp dụng cho hệ có mô hình bậc hai. ngang trục của dòng điện stato biến thiên như trên hình 4 
 Trong quá trình làm việc, thông số của PMSM có thể (hình trên). Hình 4 (phía dưới) cho thấy ước lượng điện trở 
 thay đổi do các tác động khác nhau của môi trường làm stato có kết quả rất tốt trong điều kiện có sự biến động 
 việc và sự già cỗi sau một thời gian phục vụ. Vì vậy, vấn đề mạnh về điều kiện vận hành. 
 ước lượng thông số của máy điện nói chung và đối với 
 PMSM nói riêng được quan tâm nhiều trong các nghiên cứu 
 đã qua. Ba thông số cơ bản của trong mô hình (1) được ước 
 lượng là R, L và hằng số mômen KT (hay từ thông của rô to 
 , tỷ lệ thuận với KT) xem [19, 20] và các tài liệu tham khảo 
 trong đó. 
 a) Bộ quan sát điện trở 
 Lấy ý tưởng từ thiết kế bộ quan sát điện trở cho máy 
 điện không đồng bộ [21], cấu trúc của bộ quan sát điện trở 
 cho PMSM cũng được xây dựng nhằm xác định thông số 
 điện trở của máy thực tế. Hình 4. Kết quả quan sát điện trở stato 
 Để xây dựng bộ quan sát ước lượng điện trở với giả Tương tự như bộ quan sát điện trở, hệ thống để thiết kế 
 thiết các thông số khác (điện cảm L và từ thông ), mô hình bộ quan sát điện cảm và từ thông được viết lại ở dạng phù 
 được lựa chọn với chú ý một số hệ thống điều khiển của hợp dưới đây. 
 PMSM sử dụng thành phần ngang trục để điều khiển tốc b) Bộ quan sát điện cảm 
 độ trong khi đó thành phần dọc trục không sử dụng và có Hệ thống để thiết kế bộ quan sát điện cảm được viết lại 
 giá trị đặt bằng 0. Khi đó mô hình hệ thống được chọn là: ở dạng: 
 d iq 1  d 1
 w w
 iq R v q p i d p iq v q Ri q p w p w i d
 dt L L L dt L
 (8) (11) 
 d d 1 
 R 0 0
 dt dt L 
34 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 6 (12/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
 Bộ quan sát có cấu trúc (10) được sử dụng, trong đó quan sát cho hệ bậc hai đã được đề xuất để ước lượng 
x1 = iq; x2 = 1/L; f1 p w i d 1 t v q Ri q p w . Kết quả thông số của máy. Ưu điểm của bộ quan sát này là cấu trúc 
quan sát điện cảm được thể hiện trên hình 5. đơn giản và dễ áp dụng. Tuy nhiên nhược điểm là mới xác 
 định được từng thông số riêng lẻ. Kết quả thu được có ý 
 nghĩa nhất định khi từng thông số phụ thuộc vào những 
 yếu tố nhất định nên có thể coi như các thông số khác đã 
 biết và cần giám sát một thông số để giám sát tình trạng 
 của máy. 
 Trong các nghiên cứu tiếp theo, mô hình của hệ thống 
 sẽ được tiếp tục phân tích để có thể đề xuất phương pháp 
 ước lượng dựa trên sự liên kết giữa các bộ quan sát thành 
 phần hoặc áp dụng một cấu trúc của bộ quan sát phù hợp 
 để ước lượng nhiều thông số khác nhau. 
 Hình 5. Kết quả ước lượng điện cảm của stato 
 Mô phỏng được tiến hành trong điều kiện tương tự như 
trường hợp ước lượng điện trở và thu được kết quả như trên 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
hình 5. Mặc dù giá trị ước lượng của điện cảm nhạy cảm hơn 
với sự thay đổi của thành phần ngang trục của dòng điện [1]. V. Bobek, 2013. PMSM Electrical Parameters Measurement, Application 
stato nhưng kết quả ước lượng là có thể chấp nhận. Note. Freescale Semiconductor, Inc., 2013. 
 c) Ước lượng từ thông [2]. P. Krause, O. Wasynczuk, S. Sudhoff, 2020. Analysis of electric machinery 
 and drive systems. IEEE Press, 2002. 
 Hệ thống để thiết kế bộ từ thông có dạng: 
 [3]. P. J. Turner, A. B. J. Reece, D. C. Macdonald, 1989. The DC decay test for 
 d iq 1 determining synchronous machine parameters: measurement and simulation. IEEE 
 iq p w R v q p w i d
 dt L L L transactions on energy conversion, vol. 4, no. 4, pp. 616-623, 1989. 
 (12) 
 d [4]. H. Ahn, H. Park, C. Kim, H. Lee, 2020. A Review of State-of-the-art 
  0
 dt Techniques for PMSM Parameter Identification. Journal of Electrical Engineering & 
 Technology, pp. 1-11, 2020. 
 Bộ quan sát có cấu trúc (10) được sử dụng, trong đó 
 [5]. Y. Gao, R. Qu, Y. Liu, 2013. An improved AC standstill method for 
 iq 1
x1 = iq; x2 = ; f1 p w i d ; 1 t R v q p w i d . Kết inductance measurement of interior permanent magnet synchronous motors. in 
 LL 2013 International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 
quả quan sát điện cảm được thể hiện trên hình 6. Busan, 2013. 
 [6]. Q. Wang, G. Zhang, G. Wang, C. Li, D. Xu, 2019. Offline parameter self-
 learning method for general-purpose PMSM drives with estimation error 
 compensation. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 11, pp. 11103-
 11115, 2019. 
 [7]. Q. Wang, G. Wang, N. Zhao, G. Zhang, Q. Cui, D. Xu, 2020. An Impedance 
 Model-Based Multiparameter Identification Method of PMSM for Both Offline and 
 Online Conditions. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 1, pp. 727-
 738, 2020. 
 [8]. C. Wu, Y. Zhao, M. Sun, 2020. Enhancing Low-Speed Sensorless Control of 
 Hình 6. Kết quả mô phỏng ước lượng từ thông của nam châm vĩnh cửu 
 PMSM Using Phase Voltage Measurements and Online Multiple Parameter 
 Điều kiện mô phỏng được áp dụng giống như trường Identification. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 10, pp. 10700-
hợp ước lượng điện trở và điện cảm. Kết quả ước lượng từ 10710, 2020. 
thông của nam châm vĩnh cửu rất hội tụ như được thể hiện 
 [9]. I. Vesely, L. Pohl, 2016. Stator resistance identification of PMSM. IFAC-
trên hình 6. 
 PapersOnLine, vol. 49, no. 25, pp. 223-228, 2016. 
 Tóm lại, kết quả mô phỏng cho thấy các thông số có thể [10]. X. Li, R. Kennel, 2020. General Formulation of Kalman-Filter Based 
được xác định với đáp ứng rất chính xác đặc biệt là đối với Online Parameter Identification Methods for VSI-fed PMSM. IEEE Transactions on 
điện trở và từ thông trong điều kiện thay đổi của tốc độ yêu Industrial Electronics, 2020. 
cầu và tương ứng với sự thay đổi của thành phần ngang 
trục của dòng điện stato. [11]. S. J. Underwood, I. Husain, 2009. Online parameter estimation and 
 adaptive control of permanent-magnet synchronous machines. IEEE Transactions 
4. KẾT LUẬN on Industrial Electronics, vol. 57, no. 7, pp. 2435-2443, 2009. 
 Nhiều phương pháp xác định thông số khác nhau của [12]. M. S, S. M, T. Y, 2006. Mechanical sensorless drives of ipmsm with online 
MĐĐB-KTVC đã được giới thiệu nhằm định hướng lựa chọn parameter identifcation. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 42, no. 5, 
trong trong các ứng dụng khác nhau. Tiếp theo đó, một bộ pp. 1241-1248, 2006. 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 6 (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 35
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P - ISSN 1859 - 3585 E - ISSN 2615 - 961 9 
 [13]. Y. Wang, S. Xu, H. Huang, Y. Guo, H. Jin, 2018. A coupled recursive total 
 least squares-based online parameter estimation for PMSM. Journal of Electrical 
 Engineering & Technology, vol. 13, no. 6, pp. 2344-2353, 2018. 
 [14]. I. Vesely, L. Vesely, Z. Bradac, 2018. MRAS identification of permanent 
 magnet synchronous motor parameters. IFAC-PapersOnLine, vol. 51, no. 6, pp. 
 250-255, 2018. 
 [15]. G. Pei, J. Liu, L. Li, P. Du, L. Pei, Y. Hu, 2018. MRAS Based Online 
 Parameter Identification for PMSM Considering VSI Nonlinearity. in IEEE 
 International Power Electronics and Application Conference and Exposition 
 (PEAC), Shenzhen, 2018. 
 [16]. J. Lai, C. Zhou, J. Su, M. Xie, J. Liu, T. Xie, 2019. A Permanent Magnet 
 Flux Linkage Estimation Method Based on Luenberger Observer for Permanent 
 Magnet Synchronous Motor. in 22nd International Conference on Electrical 
 Machines and and Systems (ICEMS), 2019. 
 [17]. R. Krishnan, 2009. Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC 
 Motor Drives. Taylor & Francis, 2009. 
 [18]. H.-G. Vũ, 2016. Ước lượng tốc độ quay và mô men cơ của máy điện đồng 
 bộ kích thích nam châm vĩnh cửu dựa trên bộ quan sát phi tuyến đều. Tạp chí Khoa 
 học và Công nghệ Năng lượng, Đại học Điện lực, vol. 11, pp. 26-32, 2016. 
 [19]. S. J. Underwood, I. Husain, 2010. Online parameter estimation and 
 adaptive control of permanent-magnet synchronous machines. IEEE Transactions 
 on Industrial Electronics, vol. 57, no. 7, pp. 2435-2443, 2010. 
 [20]. V. H. Giang, 2019. A method for the estimation of torque constant of 
 permanent magnet synchronous machine based on a nonlinear observer. EPU 
 journal of science and technology for energy, no. 20, pp. 1-8, 2019. 
 [21]. V. H. Giang, 2016. Estimation of rotor resistance for the fault diagnosis of 
 asynchronous machine. in International conference on science and technology, 
 50th anniversary of Electric Power University, Hanoi, Vietnam, 2016. 
 AUTHOR INFORMATION 
 Vu Hoang Giang 
 Faculty of Electrical Engineering, Electric Power University 
36 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 6 (12/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn