BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ NAM DƯƠNG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CHIP CHO
HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰA TỪ THÔNG ROTOR
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA TRÊN
NỀN TẢNG FPGA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2023


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ NAM DƯƠNG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CHIP CHO
HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰA TỪ THÔNG ROTOR
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA TRÊN
NỀN TẢNG FPGA
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Vũ Hồng Phương
2. PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn

Hà Nội - 2023


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn
của tập thể hướng dẫn. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả
nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố.
Hà Nội, ngày tháng
năm 2023
Tập thể hướng dẫn khoa học
Nghiên cứu sinh

PGS.TS Vũ Hoàng Phương

PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

Lê Nam Dương

i


LỜI CẢM ƠN
Trải qua một thời gian dài, với rất nhiều khó khăn và thử thách về mặt chun mơn,
về kinh nghiệm nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã hoàn thành bản luận án của mình. Trong
suốt q trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự quan tâm, giúp đỡ, hỗ trợ vô cùng lớn lao
của tập thể hướng dẫn, của các đơn vị chuyên môn tại đơn vị đào tạo cũng như đơn vị công

tác, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, các anh chị em cùng học nghiên cứu sinh.
Qua đây, tác giả muốn gửi lời cảm ơn chân thành và trân trọng tới các thầy PGS.TS
Nguyễn Văn Liễn và PGS.TS Vũ Hoàng Phương, tập thể hướng dẫn đã có những định hướng
sâu sắc để nghiên cứu sinh khơng chỉ hồn thành luận án mà cịn trưởng thành trong tư tưởng
và thái độ đối với vấn đề chuyên môn và nghiên cứu khoa học.
Tác giả xin chân thành cảm ơn tới các Thầy GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, PGS.TS
Trần Trọng Minh, PGS.TS Nguyễn Quang Địch, các cán bộ Viện và các anh chị em NCS
Viện Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa đã cho nghiên cứu sinh rất nhiều đóng góp ý trong
các buổi cáo cáo chun mơn định kỳ tại Viện.
Tác giả xin chân thành cảm ơn tới TS. Đào Quý Thịnh, TS. Giáp Văn Nam, các thầy
cô và các anh chị em NCS Khoa Tự động hóa, trường Điện – Điện tử đã động viên và giúp
đỡ nghiên cứu sinh trong quá trình nghiên cứu.
Tác giả xin cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Tùng Lâm, TS. Nguyễn Danh Huy, Th.s Vũ
Lê Minh, Th.s Lê Đức Thịnh, Th.s Tạ Thế Tài cùng các bạn sinh viên Nguyễn Thanh Thắng,
Hoàng Nam Đàn thuộc Lab ME đã hỗ trợ NCS trong q trình thực hiện mơ phỏng và sửa
chữa luận án.
Tác giả cảm ơn NCS Đỗ Tuấn Anh và các bạn sinh viên Đỗ Tùng Dương, Trần Văn
Hùng, Nguyễn Văn Nghĩa, Bùi Đức Tâm thuộc Lab PE đã hỗ trợ NCS trong quá trình làm
thực nghiệm và lấy kết quả nghiên cứu.
Tác giả xin cảm ơn các phòng ban của Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện
thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận án.
Tác giả xin cảm ơn đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Quy Nhơn đã đồng ý về chủ
trương, tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh đi học, cảm ơn đến Ban chủ nhiệm và các thầy cô
đồng nghiệp Khoa Kỹ thuật và Công Nghệ đã hỗ trợ để nghiên cứu sinh vừa hoàn thành
nhiệm vụ chuyên môn vừa nghiên cứu luận án.
Cuối cùng, tác giả xin được bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình hai bên, ba mẹ, vợ và hai
con, những người luôn đồng hành, cảm thông và động viên tác giả trong quá trình hồn thành
luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến anh chị em trong gia đình và bạn bè, luôn động viên
và hỗ trợ tác giả.
Lê Nam Dương


ii


Mục lục
LỜI CAM ĐOAN
i
LỜI CẢM ƠN
ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
v
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
xi
MỞ ĐẦU
1
1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................... 1
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 2
3. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................. 2
4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................... 3
5. Những đóng góp mới của luận án ............................................................................ 3
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.................................................................................. 3
7. Bố cục và nội dung của luận án ............................................................................... 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC CHO ĐỘNG CƠ
XOAY CHIỀU BA PHA
6
1.1 Đặt vấn đề .............................................................................................................. 6
1.2. Giải pháp thiết kế bộ điều khiển dịng điện .......................................................... 8
1.2.1 Mơ hình toán học động cơ xoay chiều ba pha ........................................... 8

1.2.2 Tóm tắt về điều khiển mạch vịng dịng điện ........................................... 12
1.3 Công nghệ DSP trong điều khiển động cơ xoay chiều ba pha ............................. 20
1.4 Công nghệ FPGA trong điều khiển động cơ xoay chiều ba pha .......................... 22
1.5 Định hướng nghiên cứu của luận án .................................................................... 24
1.6 Kết luận chương 1 ................................................................................................ 24
CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
BA PHA TRÊN NỀN TẢNG FPGA
25
2.1 Tổng quan về FPGA ............................................................................................ 25
2.1.1 Cấu trúc chung của FPGA .................................................................. 26
2.2 Thực hiện chuẩn hóa dữ liệu trên FPGA.............................................................. 31
2.2.1 Chuẩn hóa dữ liệu ADC ..................................................................... 31
2.2.2 Chuẩn hóa dữ liệu ............................................................................. 36
2.2.2 Chuẩn hóa dữ liệu bộ điều khiển dòng điện PI ........................................ 36
2.3 Phương pháp thiết kế dựa trên FPGA ................................................................. 40
2.3.1. Đặc tả hệ thống sơ bộ........................................................................ 42
2.3.2. Phát triển thuật toán .......................................................................... 42
2.3.3. Phát triển kiến trúc dựa FPGA ............................................................ 44
iii


2.3.4. Thực nghiệm ................................................................................... 47
2.4 Tổng kết chương 2 ............................................................................... 47
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA
PHA TRÊN NỀN TẢNG FPGA
48
3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................ 48
3.2 Thiết kế khối dùng chung cho động cơ xoay chiều ba pha dựa trên FPGA......... 49
3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện PI ...................................................... 53
3.2.2 Thiết kế khâu đo dòng điện ................................................................. 56

3.2.3 Thiết kế khâu đo tốc độ ...................................................................... 60
3.2.4 Thiết kế các khâu chuyển hệ tọa độ ...................................................... 65
3.2.5 Thiết kế khâu phát xung SVM ............................................................. 68
3.3 Mơ hình thực nghiệm thời gian thực .................................................................... 74
3.3.1 Thiết bị Typhoon HIL 402 .................................................................. 75
3.3.2 Triển khai trên Typhoon HIL .............................................................. 76
3.4 Thiết kế và kết quả thực nghiệm cho động cơ KĐB-RLS ................................... 80
3.4.1 Thiết kế mơ hình từ thơng ................................................................... 80
3.4.2 Kết quả thực nghiệm.......................................................................... 82
3.5 Thiết kế và kết quả thực nghiệm cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu ...... 89
3.6 Kết luận chương 3 ................................................................................................ 96
CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN KHÁNG NHIỄU CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH
VĨNH CỬU
97
4.1 Các ảnh hưởng của nhiễu lên động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha .......... 97
4.2 Các phương pháp kháng nhiễu sử dụng các cấu trúc điều khiển nâng cao ........ 100
4.3 Thiết kế thuật toán kháng nhiễu phi tuyến cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh
cửu. .................................................................................................................................... 102
4.3.1 Mơ hình hóa động cơ PMSM ............................................................ 102
4.3.2 Thiết kế bộ quan sát nhiễu phi tuyến và đánh giá ổn định ........................ 104
4.4 Cấu trúc điều khiển và mô phỏng.......................................................... 107
4.4.1 Cấu trúc điều khiển ......................................................................... 107
4.4.2 Kết quả mô phỏng ........................................................................... 108
4.3 Kết luận chương ................................................................................................. 115
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
116
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
117
TÀI LIỆU THAM KHẢO
118

PHỤ LỤC
PL1
iv


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Danh mục các từ viết tắt
Từ viết tắt

Ý nghĩa tiếng anh

Ý nghĩa tiếng việt

ADC

Analog-to-Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự - số

Clk

Clock

Xung nhịp

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lý trung tâm


DSP

Digital Signal Processor

Xử lý tín hiệu số

FSM

Finite-State Machine

Máy trạng thái hữu hạn

FOC

Field Oriented Control

Điều khiển hướng trường

FPGA

Field Programmable Gate
Array

Mảng cổng lập trình trường

ĐB-KTVC

Đồng bộ - kích thích vĩnh cửu


ĐCXCBP

Động cơ xoay chiều ba pha

HIL

Hard ware in the loop
simulation

Mô phỏng thiết bị phần cứng

IGBT

Insulated Gate Bipolar
Transistor

Van bán dẫn IGBT

IM

Induction motor

Động cơ không đồng bộ

IP

Intellectual Property

Tài sản trí tuệ


MHTT

Mơ hình tính tốn từ thơng

KĐB-RLS

Khơng đồng bộ -rotor lồng sóc

KĐB

Khơng đồng bộ

PMSM

Pemanent Magnet
Synchronous Motor

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu

PI

Proportional-Intergral

Bộ điều khiển PI

PWM

Pulse Width Modulation


Điều chế độ rộng xung

SoC

System on chip

Hệ thống trên chip

SVPWM

Space vector Pulse Width
Modulation

Điều chế độ rộng xung vector
không gian

VHDL

Verilog Hardware
Description Language

Ngôn ngữ mô tả phần cứng
v


2. Danh mục các ký hiệu
Ký Hiệu

Đơn vị


Ý Nghĩa

Lsd

mH

Điện cảm pha của stator trên trục d

Lsq

mH

Điện cảm pha của stator trên trục q

Lm

mH

Hỗ cảm giữa cuộn dây rotor với cuộn dây stator

λm

wb

Từ thơng móc vịng giữa từ trường rotor với stator

λf

wb


Từ thơng rotor

isd

A

Dịng điện stator trên trục d

isq

A

Dịng điện stator trên trục q

λsd

wb

Từ thông stator trên trục d

λsq

wb

Từ thông stator trên trục q

usd

V


Điện áp stator trên trục d

usq

V

Điện áp stator trên trục q

ω

rad/s

Tốc độ góc rotor

θe

rad

Vị trí vector từ trường rotor

isα

A

Dòng điện stator trên trục α

isβ

A


Dòng điện stator trên trục β

usα

V

Điện áp stator trên trục α

usβ

V

Điện áp stator trên trục β

Rs

Ω

Điện trở stator

J1 , J2

Kg.m2

Mơmen qn tính động cơ và tải

ψs , ψr

Wb


Vector từ thông stator và rotor

Wb

Các thành phần của vector từ thông stator và rotor trên
hệ tọa độ dq

ψ sd ,ψ sq ,
ψ rd ,ψ rq
zp

Số cặp cực

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của ĐCKĐB-RLS điều khiển kiểu theo nguyên lý tựa theo từ thơng
rotor. ................................................................................................................................ 9
Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc của ĐCĐB-KTVC điều khiển kiểu nguyên lý tựa theo từ thơng rotor
...................................................................................................................................... 11
Hình 1.3 Cấu trúc mạch vịng điều khiển dịng điện .......................................................... 14
Hình 1.4 Cấu trúc mạch vịng điều khiển tốc độ ................................................................ 15
Hình 1.5 Cấu trúc mạch vịng điều khiển từ thơng rotor .................................................... 15
Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển đan kênh của bộ điều khiển dòng điện ................................ 16
Hình 1.7 Cấu trúc bộ điều khiển dịng stator

isd

................................................................. 17


Hình 1.8 Cấu trúc của bộ điều khiển tốc độ quay ............................................................... 18
Hình 1.9 Mạch vịng tốc độ xét tới ảnh hưởng của mơmen tải ........................................... 19
Hình 1.10 Cấu trúc hệ truyền động trên DSP ..................................................................... 21
Hình 2.1 Cấu trúc chung của FPGA ................................................................................... 26
Hình 2.2 Khối CLB ............................................................................................................. 27
Hình 2.3 Khối kết nối ......................................................................................................... 27
Hình 2.4 Cấu trúc chung của một khối I/O ......................................................................... 28
Hình 2.5 Cấu trúc vi xử lý bên trong kit FPGA Zybo Z7-20 họ Zynq-7000 [83] .............. 29
Hình 2.6 Sơ đồ khối của XADC. ........................................................................................ 31
Hình 2.7 Các cổng vào ra của XADC ................................................................................. 33
Hình 2.8 Đồ thị chuyển đổi dữ liệu trong chế độ đơn cực .................................................. 35
Hình 2.9 Đồ thị chuyển đổi dữ liệu trong chế độ lưỡng cực .............................................. 35
Hình 2.10 Sơ đồ khối bộ điều khiển PI ............................................................................... 36
Hình 2.11 Sơ đồ khối bộ điều khiển dịng điện PI .............................................................. 38
Hình 2.12 Quy trình xử lý tổng thể của bộ điều khiển dịng PI .......................................... 39
Hình 2.13 Phương pháp thiết kế FPGA được đề xuất ........................................................ 41
Hình 3.1 Sơ đồ khối của mạch vịng dịng điện .................................................................. 48
Hình 3.2 Kiến trúc phân cấp module .................................................................................. 49
Hình 3.3 Kiến trúc phần cứng bộ điều khiển dịng điện ..................................................... 50
Hình 3.4 Thiết kế mạch vòng dòng điện sử dụng phương pháp xử lý song song............... 51
Hình 3.5 Trạng thái máy mơ tả mạch vịng dịng điện ....................................................... 52
Hình 3.6 Lưu đồ thuật tốn của bộ điều khiển PI trên nền tảng FPGA .............................. 55
Hình 3.7 Khối XADC trong phần mềm Vivado Design Suites. ......................................... 57
Hình 3.8 Lưu đồ thuật tốn điều khiển khối XADC và tách tín hiệu 2 kênh đo ................ 58
Hình 3.9 Lưu đồ thuật tốn tính 3 dịng điện stator. ........................................................... 59
vii


Hình 3.10 Các khối thực hiện đo dịng stator trên FPGA ................................................... 60

Hình 3.11 Nhiễu của động cơ trên encoder. ....................................................................... 60
Hình 3.12 Trạng thái logic chuẩn trên 2 kênh a và b khi động cơ quay ............................. 61
Hình 3.13 Lưu đồ thuật tốn đọc encoder........................................................................... 64
Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán khối chuyển hệ tọa độ abc sang dq. ...................................... 66
Hình 3.15 Lưu đồ thuật tốn khối chuyển tọa độ dq sang αβ. ............................................ 67
Hình 3.16 Sáu sector trên hệ tọa độ αβ. .............................................................................. 68
Hình 3.17 Lưu đồ thuật tốn khối chọn sector.................................................................... 69
Hình 3.18 Lưu đồ thuật tốn khối duty cycle. .................................................................... 70
Hình 3.19 Kết quả mơ phỏng khối tạo xung răng cưa trên Vivado. ................................... 71
Hình 3.20 SVM thực hiện trên nền tảng FPGA .................................................................. 71
Hình 3.21 Thuật tốn điều khiển dịng điện trên FPGA ..................................................... 72
Hình 3.22 Kết quả mô phỏng RTL của cấu trúc bộ điều khiển dịng điện ......................... 73
Hình 3.23 Typhoon HIL 402 .............................................................................................. 75
Hình 3.24 Cấu hình mạch lực trên mơi trường Typhoon HIL ............................................ 76
Hình 3.25 Cấu hình các van điều khiển của mạch van ....................................................... 77
Hình 3.26 Sơ đồ ghép nối HIL- FPGA ............................................................................... 78
Hình 3.27 Sơ đồ nối dây giữa FPGA và Typhoon HIL 402. .............................................. 78
Hình 3.28 Hệ thống mô phỏng HIL cho động cơ xoay chiều ba pha trên FPGA ............... 79
Hình 3.29 Lưu đồ thuật tốn thực hiện khối mơ hình từ thơng. ......................................... 81
Hình 3.30 Chu kì thực hiện thuật tốn FOC với tần số 100kHz ......................................... 83
Hình 3.31 Thời gian thực hiện thuật tốn FOC cho động cơ KĐB-RLS............................ 84
Hình 3.32 Dịng điện stator khi ωsp = 150( rad / s ) . .......................................................... 85
Hình 3.33 Tốc độ động cơ và mơmen động cơ sinh ra khi ωsp = 150( rad / s ) .................. 85
Hình 3.34 Dịng điện stator khi ωsp = 95( rad / s ) . ............................................................. 85
Hình 3.35 Tốc độ động cơ và mômen động cơ sinh ra khi ωsp = 95( rad / s ) . .................... 86
Hình 3.36 Dòng điện stator khi ωsp =
190 (rad / s) . .............................................................. 86
Hình 3.37 Tốc độ động cơ và mơmen động cơ sinh ra khi ωsp = 190( rad / s ) . ................... 86
Hình 3.38 Dịng điện stator khi ωsp =
150 (rad / s) . .............................................................. 87

Hình 3.39 Tốc độ động cơ và mômen động cơ sinh ra khi ωsp = 150( rad / s ) . ................. 87
Hình 3.40 Dòng điện stator khi ωsp =
30 (rad / s) . .............................................................. 87
Hình 3.41 Tốc độ động cơ và mơmen động cơ sinh ra khi

ωsp = 30( rad / s ) . ................. 87

Hình 3.42 Dịng điện stator khi ωsp = 190( rad / s ) . .............................................................. 88
Hình 3.43 Dịng điện stator khi ωsp = 128( rad / s ) . .......................................................... 88
Hình 3.44 Tốc độ động cơ và mơmen động cơ sinh ra khi ωsp = 128( rad / s ) . ................... 88
viii


Hình 3.45 Dịng điện stator khi ωsp = 32( rad / s ) . ............................................................. 89
Hình 3.46 Tốc độ động cơ và mômen động cơ sinh ra khi ωsp = 32( rad / s ) . .................... 89
Hình 3.47 Tài nguyên sử dụng trên FPGA ......................................................................... 90
Hình 3.48 Chu kì thực hiện thuật toán FOC với tần số 100kHz ......................................... 90
Hình 3.49 Thời gian thực hiện thuật tốn FOC cho động cơ ĐB-KTVC trên FPGA ........ 91
Hình 3.50 Đáp ứng dòng điện stator khi tốc độ đặt là ωsp = 628( rad / s ) ........................ 92
Hình 3.51 Đáp ứng tốc độ và mômen khi tốc độ đặt là ωsp = 628( rad / s ) ....................... 92
Hình 3.52 Đáp ứng dòng điện stator khi tốc độ đặt là ωsp = 300( rad / s ) ........................ 92
Hình 3.53 Đáp ứng tốc độ và mômen khi tốc độ đặt ωsp = 300( rad / s ) ............................ 93
Hình 3.54 Đáp ứng tốc độ và mômen khi tốc độ đặt ωsp = 30( rad / s ) ............................. 93
Hình 3.55 Đáp ứng dịng điện stator, tốc độ và mơmen khi tốc độ đặt là ωsp = 30( rad / s )
Mômen tải 15Nm .......................................................................................................... 94
Hình 3.56 Đáp ứng tốc độ và mômen khi tốc độ đặt là ωsp = 280( rad / s ) v .................... 94
Hình 3.57 Đáp ứng dịng điện stator khi tốc độ đặt là ωsp = 280( rad / s ) ........................ 95
Hình 3.58 Đáp ứng dịng điện stator khi tốc độ đặt là ωsp = 30( rad / s ) ........................... 95
Hình 3.59 Đáp ứng tốc độ và mômen khi tốc độ đặt là ωsp = 30( rad / s ) ......................... 95
Hình 4.1 Sơ đồ hàm truyền nhiễu mô men cản tác động vào hệ thống .............................. 98

Hình 4.2 Nhiễu tải ............................................................................................................... 99
Hình 4.3 a. Nhiễu tác động thực.
b. Nhiễu tác động thông qua khâu hạ bậc ........ 99
Hình 4.4 Nhiễu đo lường .................................................................................................... 99
Hình 4.5 Cấu trúc điều khiển PID mờ .............................................................................. 100
Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển trượt ................................................................................... 101
Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển với bộ kháng nhiễu ............................................................ 101
Hình 4.8 (a) Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ kháng nhiễu dựa trên điều khiển PI cho động
cơ PMSM. (b) Cấu trúc chi tiết bộ kháng nhiễu Nonlinear Disturbance Observer. ... 107
Hình 4.10 Mô-men tải (Load Torque) và mô-men điện từ (Electromagnetic Torque)..... 109
Hình 4.11 Đáp ứng khi sử dụng và khơng sử dụng NDO ................................................. 109
(a) Điện áp theo trục d usd . (b) Điện áp theo trục q usq . .................................................. 109
Hình 4.12 Đáp ứng khi sử dụng và khơng sử dụng NDO ................................................. 110
(a) Dòng điện theo trục d isd . (b) Điện áp theo trục q isq . ................................................. 110
Hình 4.13 Giá trị thực và giá trị quan sát của nhiễu bất định của vòng tốc độ

dω .......... 110

Hình 4.14 Giá trị thực và quan sát của nhiễu bất định vòng dòng điện theo trục d d d ... 111
ix


Hình 4.15 Giá trị thực và quan sát của nhiễu bất định vòng dòng điện theo trục q d q .... 111
Hình 4.16 So sánh đáp ứng tốc độ khi sử dụng bộ kháng nhiễu NDO ............................. 112
Hình 4.17 Mơ-men tải (Load Torque) và mơ-men điện từ (Electromagnetic Torque)..... 112
Hình 4.18 Đáp ứng khi sử dụng và không sử dụng NDO ................................................. 113
(a) Điện áp theo trục d usd . (b) Điện áp theo trục q usq ................................................... 113
Hình 4.19 Đáp ứng khi sử dụng và không sử dụng NDO (a) Dòng điện theo trục d isd (b)
Điện áp theo trục q isq ................................................................................................ 113
Hình 4.20 Giá trị thực và giá trị quan sát của nhiễu bất định vòng tốc độ dω ................. 114

Hình 4.21 Giá trị thực và giá trị quan sát của nhiễu bất định vòng dòng theo trục d d1d 114
Hình 4.22 Giá trị thực và giá trị quan sát của nhiễu bất định vòng dòng theo trục q d q . 114

x


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Nhóm DRP .......................................................................................................... 32
Bảng 2.2 Nhóm External Analog Input ............................................................................... 33
Bảng 2.3 Nhóm Alarms ....................................................................................................... 33
Bảng 2.4 Nhóm Status ......................................................................................................... 34
Bảng 2.5 Tín hiệu I/O của bộ điều khiển dòng điện PI ....................................................... 40
Bảng 3.1 Bảng ghép 2 trạng thái liền kề của encoder khi quay thuận................................. 61
Bảng 3.2 Bảng ghép 2 trạng thái liền kề của encoder khi quay nghịch............................... 62
Bảng 3.3 Thể hiện logic khi quay thuận/nghịch encoder .................................................... 63
Bảng 3.4 Bảng Giá trị của ma trận Mk ................................................................................ 68
Bảng 3.5 Duty cycle của từng nhóm van............................................................................. 69
Bảng 3.6 Đặc tính cơ bản của Typhoon HIL ....................................................................... 75
Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật các cổng vào ra của Typhoon 402 .......................................... 77
Bảng 3.8 Thống kê tài nguyên khi lập trình bằng FPGA .................................................... 83
Bảng 3.9 Tài nguyên sử dụng trên FPGA ........................................................................... 90

xi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong suốt 20 năm qua, việc điều khiển các hệ thống điện công nghiệp đặc biệt
là các động cơ xoay chiều ba pha đã được tập trung vào các nghiên cứu quan trọng
và đã đạt được nhiều cải tiến đáng kể. Sự phát triển này chủ yếu xuất phát từ cuộc

cách mạng công nghệ dẫn đến sự xuất hiện của các thành phần mạnh mẽ cho phép
thực hiện các thuật toán điều khiển ngày càng phức tạp hơn. Với việc cải thiện độ tin
cậy và hiệu suất của công nghệ số, điều khiển số đã chiếm ưu thế hơn điều khiển
tương tự. Thật vậy, so với điều khiển tương tự truyền thống, điều khiển số mang lại
nhiều lợi ích như tính mềm dẻo trong việc chỉnh sửa các chương trình điều khiển,
thích ứng với các hệ thống và các điều kiện vận hành khác nhau, không bị ảnh hưởng
bởi nhiễu, và không nhạy với sự thay đổi của các tham số thành phần. Ngày nay, điều
khiển số chủ yếu được thực hiện với vi điều khiển (µP) hoặc bộ xử lý tín hiệu số
(DSP) do tính mềm dẻo của phần mềm và chi phí thấp. Do đó các bộ điều khiển DSP
được nhiều kỹ sư coi là một giải pháp thích hợp các thành phần này có một đơn vị
logic tốn học đặc biệt dành riêng cho tính tốn theo thời gian thực. Chúng cũng tích
hợp các thiết bị ngoại vi như bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (ADCs) và các
timer, phù hợp với yêu cầu điều khiển của các động cơ điện. Tuy nhiên, một số ưu
điểm của điều khiển tương tự vẫn cịn rất khó khăn để thay thế, chẳng hạn như tính
chính xác, và nhất là sự chậm trễ vòng lặp phản hồi. Trên thực tế, mặc dù các chương
trình đa xử lý hoặc các bộ xử lý DSP hiệu suất cao có thể giải quyết vấn đề này nhưng
chúng vẫn còn giới hạn đối với các cấu trúc thuật tốn phức tạp và chi phí của chúng
có thể vượt q lợi ích mà chúng mang lại.
Mảng cổng lập trình (FPGA) cũng có thể được xem như là một giải pháp thích
hợp để tăng hiệu suất của các bộ điều khiển và giảm khoảng cách giữa điều khiển
tương tự và điều khiển số. Khi kết hợp với ADC nhanh, khả năng tính tốn nhanh của
FPGA cho phép tính tốn thời gian thực vài micro giây của các thuật toán điều khiển
bất kể sự phức tạp của chúng. Mặt khác, FPGA cho phép phát triển kiến trúc điều
khiển thích nghi tốt với các tần số lấy mẫu khác nhau. Đồng thời chúng cho phép thực
hiện các chức năng điều khiển khác nhau được tích hợp tồn bộ hệ thống trên chip
(SoC). Kết quả là, FPGA phát triển cho các ứng dụng động cơ điện và đã được ứng
dụng thành công trong việc điều khiển bộ biến đổi độ rộng xung (PWM), các động
cơ điện và thậm chí với hệ thống điều khiển đa thiết bị. Hơn nữa, giống như DSP,
FPGA có thành phần chi phí rất thấp.
1



Ngày nay, việc thu nhỏ, giảm khối lượng và tăng mật độ cơng suất các động cơ
hiện có dẫn đến việc sử dụng các động cơ quay rất nhanh 10-100.000 vòng/phút. Các
ứng dụng bao gồm xe điện, e-turbo, UAV, dụng cụ phẫu thuật và máy bơm tốc độ
cao. Để có độ phân giải và điều khiển đầy đủ các dòng điện được áp dụng cho động
cơ ở các tốc độ này, tần số của PWM và cập nhật điều khiển cần phải tăng từ khoảng
10kHz đến khoảng 200kHz.
Các van bán dẫn IGBT được sử dụng trong bộ biến tần công suất cỡ trung bình
khơng chuyển mạch đủ nhanh hoặc đủ hiệu quả để hỗ trợ PWM 100kHz. Van bán
dẫn MOSFET đã có khả năng chuyển mạch ở các tần số này và được sử dụng trong
các bộ chuyển đổi công suất nhỏ như bộ chuyển đổi DC-DC và bộ truyền động động
cơ nhỏ, nhưng chúng khơng thích hợp cho các ứng dụng công suất cao.
Các thiết bị bán dẫn băng thông rộng dựa trên SiC và GaN đang được phát triển
nhanh chóng và đạt được tổn thất khi chuyển mạch và điện trở rất thấp cũng như khả
năng công suất cao hơn. Các thiết bị này sẽ cho phép chuyển mạch ở tần số cao, để
chế tạo các bộ điều khiển tần số cao cần thiết cho truyền động hiện đại.
Với những phân tích trên, để giải quyết các vấn đề phát sinh từ cách tiếp cận
DSP và vi điều khiển truyền thống, một phương pháp điều khiển phần cứng mới được
phát triển là rất cần thiết cho các ứng dụng truyền động điện mật độ công suất cao.
Trong luận án này, tác giả tập trung vào nghiên cứu phát triển chip cho hệ điều
khiển tựa theo từ thông rotor động cơ xoay chiều ba pha trên nền tảng FPGA ứng
dụng cho động cơ xoay chiều ba pha và động cơ có mật độ cơng suất cao.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Động cơ xoay chiều ba pha và động cơ xoay chiều ba
pha có mật độ công suất cao
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu phát triển Chip điều khiển cho động cơ xoay chiều ba pha.
- Thiết kế các thuật toán điều khiển FOC trên nền tảng FPGA
- Xây dựng cấu trúc điều khiển bền vững cho động cơ xoay chiều ba pha sử

dụng bộ điều khiển kháng nhiễu.
3. Mục tiêu nghiên cứu
- Phát triển thiết kế phần cứng / phần mềm các thuật toán điều khiển FOC dựa
trên nền tảng FPGA.

2


- Thiết kế chip điều khiển mạch vòng dòng điện FOC cho động cơ xoay chiều
ba pha dựa trên FPGA.
- Thiết kế cấu trúc điều khiển bền vững cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu sử dụng thuật toán điều khiển kháng nhiễu.
4. Phương pháp nghiên cứu
+ Tổng quan các phương pháp thiết kế điều khiển dòng điện tựa từ thông rotor
cho động cơ xoay chiều ba pha
+ Tổng hợp các công nghê thiết kế chip điều khiển như vi xử lý, DSP, ASIC,
FPGA, … từ đó lựa chọn công nghệ phù hợp để thiết kế bộ điều khiển dòng điện
stator cho động cơ xoay chiều ba pha
+ Thiết kế bộ điều khiển kháng nhiễu cho truyền động động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu nhằm nâng cao chất lượng điều khiển.
+ Ứng dụng các phần mềm mô phỏng off-line Matlab/Simulink, mô phỏng thời
gian thực HIL được sử dụng để đánh giá kết quả nghiên cứu.
5. Những đóng góp mới của luận án
Luận án dự kiến có những đóng góp mới như sau:
- Nghiên cứu, thiết kế thành cơng Chip điều khiển dịng điện tựa từ thơng rotor
động cơ xoay chiều ba pha trên nền tảng FPGA đáp ứng được các yêu cầu đề
ra.
- Phát triển một quy trình thiết kế chip hiệu quả để điều khiển dựa trên FPGA
cho động cơ xoay chiều ba pha với việc giảm đáng kể sử dụng tài nguyên, thời
gian thực thi và nâng cao hiệu suất điều khiển.

- Đề xuất cấu trúc điều khiển bền vững cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a, Ý nghĩa khoa học:
Đề tài tổng hợp, đánh giá phương pháp thiết kế cấu trúc điều khiển hệ truyền
động FOC có khả năng ứng dụng thực tiễn. Bên cạnh đó đưa ra giải pháp và đánh giá
cấu trúc điều khiển FOC cho động cơ xoay chiều ba pha trên nền tảng FPGA. Tính
đúng đắn của lý thuyết được minh chứng bằng mô phỏng off-line, mô phỏng thời gian
thực HIL.
3


b, Ý nghĩa thực tiễn:
Với kết quả nghiên cứu của đề tài có thể góp phần hồn thiện một giải pháp điều
khiển mới cho đồng cơ xoay chiều ba pha bằng chip chuyên dụng, khắc phục được
một số nhược điểm của các phương pháp điều khiển kinh điển như giảm thời gian
tính tốn, tiết kiệm tài ngun. Từ đó, mở ra một tiềm năng áp dụng cài đặt thuật toán
điều khiển vào các thiết bị thương mại, nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền
động điện xoay chiều ba pha.
7. Bố cục và nội dung của luận án
Luận án gồm 4 chương và phần kết luận chung có các nội dung chính như sau:
Chương 1: trình bày tổng quan về phương pháp điều khiển phương pháp điều
khiển FOC có nhiều ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi trong nghiệp. Sau đó đã đưa
ra phân tích phương pháp điều khiển cho các mạch vịng điều chỉnh (dịng stator, từ
thơng và tốc độ) trên nền tảng DSP và FPGA. Dựa trên đặc điểm về đối tượng, tìm
hiểu và đánh giá các cơng trình nghiên cứu liên quan đến DSP và FPGA, với các ưu
nhược điểm và các kết quả, qua đó lựa chọn nền tảng công nghệ thiết kế phương pháp
điều khiển phù hợp cho đối tượng luận án.
Chương 2: trình bày về cấu trúc chung của một FPGA trong đó các phần tử FPGA
quan trọng và phù hợp nhất được trình bày, sự đóng góp và ứng dụng của FPGA trong

lĩnh vực điện tử công suất và các ứng dụng điều khiển, đặc biệt trong trường hợp các
thuật toán điều khiển phức tạp. Ưu điểm của việc sử dụng FPGA trong lĩnh vực này
cũng như các ràng buộc triển khai để quản lý đều được tập trung vào. Cuối cùng, một
quy trình thiết kế FPGA cho các ứng dụng truyền động và điện tử cơng suất sẽ được
trình bày.
Chương 3: trình bày phương pháp thiết kế và triển khai bộ điều khiển mạch vịng
dịng điện trên FPGA có thể lập trình được. Trước hết, một phương pháp trạng thái
máy hữu hạn tuần tự (FSM) được đề xuất và chỉ ra cách thực hiện các phép tốn và
tính tốn hàm trên FPGA. Phương pháp này sẽ được áp dụng cho thiết kế VHDL
(ngơn ngữ mơ tả phần cứng-mạch tích hợp tốc độ rất cao) cho các thuật toán điều
khiển trong luận án này.
Chương 4: phân tích nhiễu tác động vào hệ điều khiển động cơ xoay chiều ba pha
theo cấu trúc FOC. Từ đó đề xuất các phương pháp điều khiển nâng cao có khả năng
loại bỏ các nhiễu này. Bộ kháng nhiễu là một trong những phương pháp điều khiển
nâng cao hiệu quả mà chương này sẽ đi vào thiết kế bộ kháng nhiễu hỗ trợ điều khiển
4


PI. Các kết quả mơ phỏng sẽ được trình bày và so sánh với cấu trúc điều khiển PI để
thấy rõ hiệu quả của việc sử dụng bộ kháng nhiễu này.
Thông số động cơ xoay chiều ba pha, Thông số mô phỏng thời gian thực HIL,
các thiết kế bộ điều khiển dịng stator, tốc độ được trích dẫn trong phụ lục.
Phần cuối là kết luận và kiến nghị của luận án.

5


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC CHO
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA

1.1 Đặt vấn đề
Lĩnh vực điều khiển truyền động điện đã được mở rộng nhanh chóng trong
những năm gần đây, chủ yếu nhờ những thành tựu về công nghệ chất bán dẫn cho cả
điện tử công suất và xử lý tín hiệu. Những cải tiến về công nghệ đã mở đường cho
những thiết kế truyền động thực sự hiệu quả. Các thuật toán điều khiển truyền động
trở nên chính xác và mạnh mẽ hơn bao giờ hết. Các động cơ AC được điều khiển
bằng vector phát triển đáng kể từ những thành tựu này [1]. Như đã biết, động cơ xoay
chiều điều khiển vectơ có được hầu hết mọi ưu điểm của động cơ một chiều điều
khiển bằng bộ biến đổi mà lại loại bỏ được chuyển mạch cơ khí (chổi than và cổ góp).
Mặt khác, cấu trúc điều khiển này mang lại hiệu suất cao bằng cách đạt được trạng
thái ổn định tốt hơn [1,6].
Điều khiển động cơ thông thường sử dụng vi điều khiển hoặc chip xử lý tín
hiệu kỹ thuật số (DSP) để thực hiện tất cả các thuật tốn [2-6]. Chúng có một số ưu
điểm, chẳng hạn như dễ lập trình và khả năng cung cấp bộ điều chế độ rộng xung
(PWM). Tuy nhiên, chúng phải thực hiện tất cả các thuật tốn theo trình tự tuần tự,
do đó giới hạn tốc độ tính tốn của thuật tốn. Để giải quyết vấn đề này, hiện nay,
cách tiếp cận đa CPU được sử dụng trong một số ứng dụng. Điều này tất yếu dẫn đến
việc điều khiển phức tạp và tăng chi phí.
Ngày nay, Mảng cổng lập trình hiện trường (FPGA) đã được sử dụng rộng rãi
như một thành phần quan trọng trong việc triển khai các bộ xử lý hiệu suất cao. Tốc
độ, kích thước, số lượng đầu vào và đầu ra của FPGA hiện vượt xa tốc độ của bộ vi
xử lý hoặc bộ xử lý DSP. FPGA là lựa chọn lý tưởng để tạo ra các bộ xử lý hiệu suất
cao với khả năng triển khai các kiến trúc số học song song cao [8]. Mặc dù công nghệ
của bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) có sẵn cho các ứng dụng điều khiển động cơ
xoay chiều kỹ thuật số [3], nhưng việc sử dụng ASIC và FPGA trong điều khiển động
cơ và các ứng dụng khác trở nên phổ biến nhờ các thành tựu trong mạch tích hợp
chuyên dụng (ASIC) và mảng cổng lập trình trường (FPGA) [7][10][18][20]. Ban
đầu, FPGA được giới thiệu vào năm 1984 chỉ cung cấp giao diện ngoại vi cho các bộ
xử lý chính. Nhưng hiện nay chúng bắt đầu được sử dụng trong các nhiệm vụ khác
6



nhau, từ bộ điều khiển chính trong các ứng dụng điều khiển động cơ, đến điều khiển
toàn bộ hệ thống [10][11]56][59].
Trong lĩnh vực điều khiển hiệu suất cao, việc sử dụng công nghệ thực thi phần
cứng dựa trên FPGA đã trở thành một phương pháp thiết kế mới được ưa chuộng
[15]. So với việc sử dụng công nghệ DSP, phương pháp này cung cấp khả năng linh
hoạt và hiệu suất cao hơn và không làm cạn kiệt tài nguyên của CPU. FPGA chỉ là
một tập hợp các ô tiêu chuẩn khơng có chức năng cụ thể nào, nhưng do có thể lập
trình trường và tái sử dụng các lõi IP, người dùng có thể thiết kế ASIC theo sơ đồ của
họ với các công cụ định tuyến và định vị chuyên nghiệp trong thời gian ngắn nhất
[77]. Việc sử dụng FPGA cho phép hệ thống đạt được mức tốc độ và độ chính xác
cao hơn bằng cách thực hiện xử lý song song bằng chế độ phần cứng mà không chiếm
dụng nhiều bộ nhớ CPU [24-25]. Trong [23][35][50], bộ điều khiển dịng điện kỹ
thuật số được thiết kế tích hợp cả bộ điều chế delta phi tuyến và bộ điều chỉnh PI
tuyến tính và có thể thu được băng thơng rất cao (điều này này chính là yêu cầu của
mạch vịng dịng điện vì nó u cầu tính động học cao để đảm bảo tính chính xác và
nhanh trong điều khiển dòng điện trong hệ thống FOC).
Hiện nay các thiết bị van bán dẫn băng thông rộng phát triển nhanh chóng dựa
trên cơng nghệ GaN và SiC mang lại tiềm năng cải thiện mật độ công suất của các hệ
thống chuyển đổi công suất [15][45][74]. So với phần tử Silic tương đương, GaN
cung cấp điện trở thấp hơn và tốc độ chuyển mạch cao hơn trong cùng điều kiện hoạt
động. Trong lĩnh vực điều khiển động cơ, các thiết bị dựa trên Si gặp phải các vấn đề
về điều khiển tần số chuyển mạch thấp. Hơn nữa, xu hướng thu nhỏ các động cơ được
sử dụng trong máy bay điện và các loại máy móc trong tương lai đang dẫn đến việc
sử dụng các động cơ quay tốc độ cao 10.000–100.000 vịng/phút. Để tận dụng hết tần
số đóng cắt cao của thiết bị GaN trong điều khiển động cơ, cần phải tăng tần số điều
khiển dòng điện và FPGA đáp ứng được vấn đề này [15][74].
Để giải quyết những vấn đề trên, nếu FPGA có CPU tích hợp, tất cả các bộ
điều khiển này có thể thực hiện chỉ với một chip duy nhất, dẫn đến một hệ thống trên

chip (SoC) thực, đây là xu hướng quan trọng của thiết kế tích hợp điều khiển truyền
động hiệu suất cao [10][29][69]. Điều này giúp tăng hiệu suất và giảm chi phí cho hệ
thống điều khiển chuyển động, đồng thời tăng tính linh hoạt trong thiết kế và phát
triển sản phẩm.
Để đạt được mục đích nghiên cứu, đầu tiên tác giả tổng quát các phương pháp,
cấu trúc điều khiển và đánh giá những vấn đề cịn tồn tại, từ đó đề xuất giải pháp thiết
kế phát triển CHIP cho mạch vòng dòng stator, mạch vòng tốc độ và đề xuất giải pháp
thiết kế chip điều khiển phù hợp cho hệ truyền động động cơ xoay chiều ba pha dựa
7


trên nền tảng FPGA. Tính đúng đắn của kết quả nghiên cứu lý thuyết được minh
chứng qua mô phỏng offline và mô phỏng thời gian thực HIL.

1.2. Giải pháp thiết kế bộ điều khiển dòng điện
Động cơ xoay chiều ba pha có cấu trúc phức tạp và đã gây khó khăn đáng kể
cho việc mơ tả tốn học đặc điểm tách kênh để có thể điều khiển độc lập hai thành
phần dịng tạo từ thơng (dịng điện mạch kích từ) và dịng tạo mơmen quay (dịng
mạch điện phần ứng). Phương pháp tựa từ thông rotor tạo ra một công cụ cho phép
tách các thành phần dịng tạo từ thơng và dịng tạo mơmen quay từ dịng điện xoay
chiều 3 pha chảy trong cuộn dây stator của động cơ. Hệ truyền động điều khiển theo
phương pháp tựa từ thơng rotor chính là hệ hoạt động dựa trên nguyên tắc điều khiển
riêng rẽ các thành phần dòng kể trên nhờ mạch vòng điều chỉnh dịng stator. Phương
thức điều khiển tựa từ thơng rotor thuộc lớp các phương pháp điều khiển vector đối
với máy điện [1].
1.2.1 Mơ hình tốn học động cơ xoay chiều ba pha
1.2.1.1 Mơ hình tốn học của động cơ KĐB-RLS
Động cơ KĐB-RLS được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân bậc cao.
Theo tài liệu [1] mơ hình mô tả động cơ KĐB-RLS trên hệ tọa độ tựa từ thông
rotor như sau:


 disd
 1
1−σ 
1−σ / 1−σ
1
=
−
+
ψ rd +
ωrψ rq/ +
usd

 isd + ωs isq +
σ
σ
σ
σ
σ
dt
T
T
T
L
s
r
r
s




 di
 1
1−σ 
1−σ
1−σ /
1
 sq =
−ωs isd − 
+
ωrψ rd/ +
ψ rq +
u
 isq −
 dt
σ
σ Tr
σ Ls sq
 σ Ts σ Tr 

/
1 /
 dψ rd 1
/
 dt = T isd − T ψ rd + (ωs − ω )ψ rq
r
r

/
 dψ rq 1

1
=
isq − (ωs − ω )ψ rd/ − ψ rq/

Tr
Tr
 dt

(1.1)

Trong đó:


L i
L i
ωr + ω ;ωr =m sq ;ωs =m sq + ω
ωs =
Tr ψ rd
Tr ψ rd


m = 3 z Lm ψ i
 M 2 p Lr rd sq
8


Từ mơ hình tốn học (1.1), cấu trúc mơ hình điều khiển động cơ KĐB được
biểu diễn như hình 1.1.

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của ĐCKĐB-RLS điều khiển kiểu theo ngun lý tựa

theo từ thơng rotor.
1.2.1.2 Mơ hình tốn học của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Theo tài liệu [1] mơ hình mơ tả động cơ ĐB-KTVC trên hệ tọa độ tựa từ thông
rotor như sau:

Lsq
 disd
1
1
 dt = - T isd + ωs L isq + L usd
sd
sd
sd

 disq
ψ
L
1
1
= -ωs sd isd - isq +
usq - ωs p

Lsq
Tsq
Lsq
Lsq
 dt

ψp


i
=
+ isd
m

Lsd

z
 dω
= kimisq - p mL

J
 dt

(1.2)

Vì trục d của hệ tọa độ trùng với trục của từ thơng cực, thành phần vng góc
(thành phần trục q ) của ψ pf sẽ bằng không. Vậy là, vector từ thơng chỉ có duy nhất
thành phần thực. Từ đó:
ψ pf =
ψp

(1.3)

Phương trình các thành phần từ thơng:
9


ψ sd = Lsd isd +ψ p


ψ sq =Lsq isq

(1.4)

Thay hai phương trình vào sẽ thu được:

disd

usd = Rs isd + Lsd dt - ωs Lsq isq

u = R i + L disq + ω L i + ω ψ
s sq
sq
s sd sd
s p
 sq
dt

(1.5)

Phương trình mơmen tổng qt của máy điện từ trường quay

mM =

3
pc ψ s ×is sign(sinφs )
2

(1.6)


Do khi xây dựng hệ thống điều khiển tựa từ thông rotor trong vùng dưới tốc độ
định mức, để không có thành phần dịng điện tạo từ thơng mà chỉ có thành phần dịng
điện tạo mơmen quay, cần phải điều khiển vector dịng

is

sao cho vector dịng đứng

vng góc với vectơ từ thơng cực. Vì vậy isd = 0 , từ đây thu được phương trình
mơmen:

mM =

3
pcψ pisq
2

(1.7)

Chuyển sang miền ảnh Laplace, ta được:

usd = Rs .(1+ s.Tsd ).isd - ωs .Lsq .isq


usq = Rs .(1+ s.Tsq ).isq + ωs .Lsd .isd + ωs .ψ p

(1.8)

10



Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc của ĐCĐB-KTVC điều khiển kiểu nguyên lý tựa theo từ
thông rotor
Theo [1] cấu trúc điều khiển tựa theo từ thơng rotor như hình 1.1 và hình 1.2,
kết hợp với mơ hình trạng thái (1.1) và (1.2), ta có một vài nhận xét:
• Vịng điều khiển dịng stator của cả hai loại động cơ có cấu trúc tương tự nhau.
• Bộ điều khiển dịng điện stator phải đảm nhận vai trị cấp tín hiệu chuẩn cho khâu
điều chế điện áp, nên phải đảm bảo 3 u cầu: nhanh, chính xác và khơng xen
kênh. Khi bộ điều khiển dịng điện stator đã có đáp ứng nhanh (sau 2 chu kỳ trích
mẫu), mơ hình trạng thái của hai động cơ được hạ bậc (bậc 2) như (1.1) và (1.2),
lúc này, mơ hình trạng thái động cơ khi bộ điều khiển dòng điện stator kết hợp với
nghịch lưu nguồn áp thì động cơ coi như được ni bởi nguồn dịng, dẫn đến đơn
giản hóa việc tính tốn bộ điều khiển và cài đặt biến tần đơn giản hơn.
- ĐCKĐB-RLS:


dim
1
1


=
i
+
isd
m


dt
T

T
r
r



zp
dω


=
ki
i
mL
m sq

J

 dt

(1.9)

2 2
3 z p Lm
ψ rd
với im =
; k=
.
2 Lr J
Lm


- ĐCĐB-KTVC:


ψ
im = p + isd

Lsd

 dω
z
 = kimisq - p mL
J
 dt

(1.10)

2
3 z p Lsd
với isd  0 ; k 
.
2 J

Hai hệ phương trình (1.9) và (1.10) cho thấy hai thành phần dòng điện isd và isq
chính là hai biến vào, được sử dụng để điều khiển q trình từ hóa và tạo mơmen
quay (điều khiển tốc độ quay ω) một cách dễ dàng. Nếu so sánh với ĐCMC, isd đóng
vai trị dịng mạch kích từ, cịn isq đóng vai trị dịng mạch phần ứng [1].
Nhận thức này chỉ ra rằng nguyên lý FOC có thể được triển khai theo nhiều cấu
trúc điều khiển, nhiều phương pháp thiết kế khác nhau (tuyến tính và phi tuyến) [1],
miễn sao phải tạo ra 2 biến điều khiển isd và isq của q trình từ hóa và q trình

mơmen quay theo yêu cầu của hệ thống.
11


1.2.2 Tóm tắt về điều khiển mạch vịng dịng điện
Hiện nay, FOC vẫn được coi là phương pháp điều khiển tiêu chuẩn trong công
nghiệp [1]. Theo nguyên lý điều khiển FOC với hai mạch vịng điều chỉnh, mạch
vịng ngồi là tốc độ và từ thơng, mạch vịng trong là dịng điện. Do đó, phương pháp
đã tách được hai thành phần điều khiển từ thơng và mơmen. Mạch vịng dịng điện có
đặc điểm phi tuyến, xen kênh và đóng vai trị quan trọng về q trình từ hóa và điều
khiển mơmen động cơ. Nếu bộ điều khiển dòng điện đảm bảo được tiêu chí đáp ứng
dịng điện stator nhanh, chính xác và tách kênh thì điều khiển tốc độ cho động cơ trở
nên đơn giản, đúng theo yêu cầu công nghệ. Chính vì vậy, bộ điều khiển dịng điện
đảm bảo các tiêu chí yêu cầu bằng các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến,
điều khiển thơng minh và dự báo,…. Trong đó các phương pháp điều khiển tuyến
tính như PI, deadbeat truyền thống, deabeat cải tiến và các phương pháp điều khiển
phi tuyến như tuyến như tính hóa chính xác, cuốn chiếu, tựa phẳng, trượt… Mỗi
phương pháp điều khiển có đặc điểm riêng được trình bày như sau:
* Các phương pháp điều khiển tuyến tính
Các phương pháp tuyến tính trong đó thường được sử dụng là bộ điều khiển PI
[1][23]. Bộ điều khiển này có ưu điểm thiết kế đơn giản và đáp ứng nhanh. Tuy nhiên
bộ điều khiển PI có những nhược điểm là chỉ đạt hiệu quả tốt nhất ở quanh điểm làm
việc cân bằng mà khi thiết kế lựa chọn do bản thân mơ hình động cơ là phi tuyến.
Như vậy khi hệ truyền động tại vùng làm việc rộng, chế độ động khắc nghiệt (tải thay
đổi mạnh hoặc có dạng xung) thì chắc chắn đáp ứng động học và chất lượng truyền
động điện sẽ bị suy giảm; Bộ điều khiển deadbeat truyền thống hay còn gọi là bộ ĐK
bù thì ln ưu tiên hàng đầu tốc độ đáp ứng hữu hạn [26]. Bộ ĐK deadbeat truyền
thống có đặc điểm dẫn dắt biến ra theo một quỹ đạo thời gian do người thiết kế xác
định, sao cho giá trị thực đuổi kịp và bám giá trị đặt sau một lượng hữu hạn N chu kỳ
trích mẫu vẫn được áp dụng trong nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn; Bộ điều khiển

deadbeat cải tiến dòng stator khắc phục nhược điểm nhạy với thông số động cơ của
bộ ĐK deadbeat truyền thống dịng stator thơng qua ma trận L và bộ điều khiển này
đã tách kênh thành công các thành phần dòng điện được thể hiện qua hàm truyền hở
Gh(z); Tuy nhiên bộ điều khiển này phụ thuộc vào tham số động cơ và vi xử lý khi
triển khai thực nghiệm.
* Các phương pháp điều khiển phi tuyến
Các phương pháp điều khiển phi tuyến cho mạch vòng dòng điện phổ biến:
Phương pháp tuyến tính hóa chính xác (exact linearization) sử dụng phản hồi trạng
thái để chuyển hệ phương trình dịng điện phi tuyến sang quan hệ tuyến tính vào - ra,
12