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

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

Hà Nội – 2023


Cơng trình được hồn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Vũ Hoàng Phương
2. PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án
tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học

Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

[1] Lê Nam Dương, Nguyễn Văn Liễn (2017) “Giải pháp chip
chuyên dụng điều khiển dòng stator cho động cơ xoay
chiều ba pha kiểu nguyên lý tựa theo từ thông rotor”,
Hội nghị triển lãm quốc tế lần thứ 4 về Điều khiển và Tự
động hóa (VCCA – 2017), Tp. Hồ Chí Minh 12 -2017
[2] Trần Văn Phương, Bùi Đăng Quang, Lê Nam Dương,
Nguyễn Quang Địch (2019) “Xây dựng hệ thống thử
nghiệm cho hệ truyền động nam châm vĩnh cửu”, Hội
nghị triển lãm quốc tế lần thứ 5 về Điều khiển và Tự động
hóa (VCCA – 2019), Hà Nội, 11-2019.
[3] Le Nam Duong, Vu Hoang Phuong, Nguyen Văn Lien, Tran
Trong Minh, (2021) “ A Modified Deadbeat Current
Controller for Field Oriented Induction Motor Drivers”, The
2021 International Conference on System Science and
Engineering (ICSSE), Ho Chi Minh, Viet Nam, pp 2412458 August 2021
[4] Tung Duong Do, Nam Duong Le, Vu Hoang Phuong,
Nguyen Tung Lam
(2022)“Implementation of FOC
Algorithm Using FPGA for GaN-based Three Phase
Induction Motor Drive”,

Bulletin of Electrical
Engineering and Informatics Vol. 11, No. 2, April 2022, pp.
636~645.
[5] Nam Duong Le, Le Quang Linh, Nguyen Tien Huy Cong,
Phuong Vu, Tung Lam Nguyen, (2023) “Fieldprogrammable gate array based Field Oriented Control
for PMSM Drive”, TELKOMNIKA Telecommunication
Computing Electronics and Control, Vol. 21, No. 2, April
2023, pp. 448~458.


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 vịng 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 cịn 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

1


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.
Ngày nay, việc thu nhỏ, giảm khối lượng và điện khí hóa các động
cơ hiện có dẫn đến việc sử dụng các động cơ quay rất nhanh 10100.000 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 cơng suất cỡ
trung bình khơng chuyển đổi đủ nhanh hoặc đủ hiệu quả để hỗ trợ
PWM 100kHz. Bán dẫn chuyển mạch MOSFET đã có khả năng
chuyển đổi 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 phéo chuyển mạch ở tần số cao, để chế tạo các bộ điều
khiển tần số cao cần thiết cho truyền động tốc độ.
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, thiết kế Chip
điều khiển tựa theo từ thông rotor cho động cơ xoay chiều ba pha
dựa trên FPGA ứng dụng cho động cơ có mật độ cơng suất cao.

2


2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Hệ điều khiển động cơ xoay chiều ba pha,
động cơ có mật độ cơng suất cao
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu, thiết kế Chip điều khiển cho động cơ xoay chiều ba
pha.

- Thiết kế các thuật toán điều khiển dựa trên FPGA
- Xây dựng cấu trúc điều khiển bên vững cho động cơ xoay chiều
ba pha sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu.
3. Mục tiêu nghiên cứu
- Thiết kế chip điều khiển mạch vòng dòng điện cho động cơ
xoay chiều ba pha.
Phát triển thiết kế phần cứng / phần mềm của thuật toán điều
khiển dựa trên nền tảng FPGA
Thiết kế cấu trúc điều khiển bền vững cho động cơ xoay chiều
ba pha sử dụng thuật toán kháng nhiễu
4. Phương pháp nghiên cứu
+ Tổng hợp phương pháp thiết kế điều khiển dịng điện tựa
theo từ thơng rotor cho động cơ xoay chiều ba pha dựa trên
nền tảng FPGA.
+ Thiết kế bộ điều khiển kháng nhiễu cho truyền động động
cơ xoay chiều ba pha
+ Mô phỏng off-line Matlab/Simulink, mô phỏng thời gian
thực HIL.
5. Những đóng góp mới của luận án
Luận án 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

3


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 xoay
chiều ba pha 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.
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, 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.


4


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 phương pháp thiết kế FPGA dành riêng cho các ứng
dụng truyền động và điện tử công suất sẽ được thảo luận.
Chương 3: trình bày phương pháp thiết kế và triển khai bộ điều
khiển mạch vòng dòng điện trên FPGA có thể lập trình được. Trước
hết, một phương pháp máy trạng thái hữu hạn tuần tự (FSM) được đề
xuất và chỉ ra cách thực hiện các phép toán và tính tốn hàm trên
FPGA. Phương pháp này sẽ được áp dụng cho thiết kế VHDL (ngôn
ngữ mô tả phần cứng-mạch tích hợp tốc độ rất cao) cho các thuật
tốn điều khiển trong luận án này.
Chương 4: phân tích các ưu nhược điểm của bộ điều khiển PI
khi có nhiễu tác động, vào hệ điều khiển động cơ xoay chiều ba pha
theo cấu trúc FOC. Từ đó đưa ra 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 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 CƠNG NGHỆ THỰC THI CÁC THUẬT TỐN
ĐIỀU KHIỂN 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 cơng suất và 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 đã chiếm được một phần nào từ những thành tựu này [12].
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. Mặt khác, cấu trúc điều khiển
này mang lại hiệu suất động 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
[3,69,72]. Chúng có một số ưu điểm, chẳng hạn như dễ lập trình và
khả năng cung cấp bộ tạo 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 toán. 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 kiểm sốt 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 [34]. Mặc dù
cơng 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 [8], nhưng việc
sử dụng ASIC và FPGA trong điều khiển động cơ và các ứng dụng

6


khác trở nên phổ biến nhờ các thành tựu trong mạch tích hợp chun
dụng (ASIC) và mảng cổng lập trình trường (FPGA) [9]. 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 nhau, từ bộ điều khiển chính trong các ứng
dụng điều khiển động cơ, đến điều khiển toàn bộ hệ thống [45,56 ].
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. 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
hợ hợp các ơ 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 của riêng mình theo sơ đồ của họ với các công cụ định
tuyến và định vị chuyên nghiệp trong thười gian ngắn nhất. 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. Trong [33], bộ điều khiển

dòng điện kỹ thuật số được thiết kế tích hợp cả bộ điều chế Δ phi
tuyến và bộ điều chỉnh PI tuyến tính và có thể thu được băng thơng
rất cao (điều này này chính là u cầu của mạch vịng dịng điện vì
nó yêu cầu tính động học cao để đảm bảo tính chính xác trong điều
khiển dịng điện trong hệ thống FOC).
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 chuyển động hiệu suất
cao. 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 chế tạo CHIP cho mạch vòng

7


dòng stator, 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 trên FPGA.
Tính đúng đắn của kết quả nghiên cứu lý thuyết được minh chứng
qua mô phỏng offline và thời gian thực HIL.
1.2 Giải pháp thiết kế các bộ điều khiển
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 cách ly để có thể
điều khiển độc lập hai thành phần dịng tạo từ thơng (dịng điện mạch
kích từ) và dòng tạo moment quay (dòng mạch điện phần ứng).
Phương pháp tựa theo từ thông rotor tạo ra một công cụ cho phép
tách các thành phần dịng tạo từ thơng và dòng tạo moment quay từ

dòng 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 cách ly 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 [11].
Với hệ truyền động điều khiển vector làm việc theo nguyên
lý tựa từ thông rotor (FOC), là nguyên lý điều khiển vật lý được sử
dụng phổ biến nhất trong các hệ thống truyền động XC3P hiện đại.
Đến nay, truyền động XC3P với nguyên lý nền tảng là FOC đã đạt
đến mức độ gần như hoàn thiện. Về mặt nghiên cứu lý thuyết,
nguyên lý này tạo ra một công cụ cho phép nhìn nhận các động cơ
XC3P có cùng bản chất vật lí (tạo từ thơng và mơ-men quay) với
động cơ MCKTĐL, nhờ vậy kế thừa được các thành tựu của truyền
động điện một chiều. Có thể nói FOC vẽ ra một bức tranh tổng quan
về mặt cấu trúc phân tầng điều khiển khi tiếp cận với một hệ truyền
động, chuyển động sử dụng máy điện xoay chiều ba pha. Trên cơ sở
đó, người thiết kế tương đối thoải mái trong việc lựa chọn một luật
điều khiển chi tiết để giải quyết bài tốn bám cho từng mạch vịng.
Cấu trúc FOC phù hợp với bản chất vật lý của máy điện, trong khi
các phương pháp điều khiển đảm bảo sự ổn định cho hệ thống về mặt
toán học. Sự kết hợp đó giúp cho FOC sở hữu ưu thế vượt trội so với

8


các phương pháp khác về chất lượng điều khiển, rõ nét nhất là chỉ
tiêu sóng hài trong mơ-men quay. Trên thực tế phương pháp điều
khiển FOC là đạt được tỷ trọng đáng kể trong các sản phẩm thương
mại, đặc biệt là trong truyền động điện servo. Với tính hiệu quả và

linh hoạt như vậy, FOC dành được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên
cứu lý thuyết cũng như người làm ứng dụng.
1.3 Công nghệ DSP trong điều khiển động cơ xoay chiều ba pha
1.4 Công nghệ FPGA trong điều khiển động cơ xoay chiều ba
pha
1.5 Định hướng nghiên cứu của luận án
Qua tổng kết các cơng trình nghiên cứu cấu trúc điều khiển
FOC cho hệ truyền động động cơ xoay chiều ba pha dựa trên công
nghệ DSP và FPGA, tác giả xác định các nhiệm vụ để đạt được mục
tiêu đó là:
- Thiết kế chip điều khiển vector dựa trên FPGA cho các động cơ
xoay chiều ba pha.
- Xây dựng mơ phỏng Matlab/Simulink, hệ thống thực nghiệm, kiểm
chứng tính đúng đắn của các cấu trúc điều khiển truyền động động
cơ dựa trên FPGA. Kiểm chứng một phần thông qua hệ thống mơ
phỏng thời gian thực (HIL) cho các thuật tốn điều khiển truyền
động động cơ.
1.6 Kết luận chương 1
Nội dung chương một đã thực hiện:
- Trình bày khái quát về mơ hình tốn học và ngun lý điều khiển
vector cho động cơ xoay chiều ba pha.
- Phân tích cơng nghệ DSP trong điều khiển vector cho động cơ
xoay chiều ba pha, qua đó đánh giá ưu nhước điểm của DSP trong
các ứng dụng cụ thể.
- Phân tích cơng nghệ FPGA trong điều khiển vector cho động cơ
xoay chiều ba pha, và xác định hướng nghiên cứu thiết kế chip
điều khiển tựa theo từ thông rotor trong hệ truyền động điện xoay
chiều ba pha.

9



CHƯƠNG 2.
GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ
XOAY CHIỀU BA PHA TRÊN NỀN TẢNG FPGA
2.1 Tổng quan về FPGA
2.1.1 Cấu trúc chung của FPGA

Hình 2.1

Cấu trúc chung của FPGA
2.2 Thực hiện chuẩn hóa dữ liệu trên FPGA

Hinh 2.6 Sơ đồ khối của XADC.

10


id, idref, iq, iqref là đầu vào và định
nghĩa các giá trị Kp, Ki, umax, umin

ud / uq  umax

uoutd / uoutq  umax

ud / uq  umin

uoutd / uoutq  umin

Đếm thời gian

lấy mẫu t với
một bộ đếm

Tạo sai số tín hiệu

ed ,q  idref / qref  id / q

uoutd / uoutq  ud / uq

ạo tổng sai số tín hiệu

Se   ed ,q * dt

uoutd / uoutq

n tìn hiệu ed/q và Sed
nh dạng điểm cố đị

End

ud / uq  ( K p * edf / qf )  ( K i * Se

df / qf

)

Hình 2.12 Quy trình xử lý tổng thể của bộ điều khiển dịng PI
2.3 Phương pháp thiết kế dựa trên FPGA

Hình 2.13 Phương pháp thiết kế FPGA được đề xuất

2.4 Tổng kết chương 2
Chương này đã trình bày tổng quan về cơng nghệ FPGA cụ thể về

11


các thành phần liên quan của chúng. Sau đó, một phân tích đã được
thực hiện để nêu rõ các giải pháp dựa trên FPGA hữu ích như thế nào
trong lĩnh vực điện tử công suất và các ứng dụng truyền động. Vấn
đề về các ràng buộc và chuẩn hóa khi triển khai FPGA đã được thực
hiện. Cuối cùng, một phương pháp thiết kế được cung cấp, đồng thời
bao gồm một tập hợp các bước và hướng dẫn giúp nhà thiết kế phát
triển ứng dụng dự kiến bắt đầu từ đặc tả hệ thống sơ bộ đến thử
nghiệm cuối cùng.
Sau phần trình bày này, tiếp theo là cách xây dựng và phát triển bộ
điều khiển dòng điện dựa trên FPGA cho động cơ xoay chiều ba pha.
CHƯƠNG 3.
THỰC HIỆN, TRIỂN KHAI BỘ ĐIỀU KHIỂN MẠCH VÒNG
DÒNG ĐIỆN TRÊN NỀN TẢNG FPGA
3.1 Đặt vấn đề
UDC
C1

ψ rd*

ψ rd'

Rψ

RI


3

isd*

-

*
sq

i

ω*

ω

usq

-

-

usd

Rω

iPark
αβ

dq


SVM

tu

tv
tw

PW
M

ϑs
isd

αβ

isq dq
ωs

ψ rd'

ϑs

Park

isα
isβ

abc
αβ


iu
iv
iw

Clarke

Flux
Model
ω

Hình 3.1

usα
u sβ

IM

Sơ đồ khối của vòng dòng điện

12

INV


3.2 Triển khai mạch vịng dịng điện dựa trên FPGA

Hình 3.3 Kiến trúc phần cứng bộ điều khiển dịng điện

Hình 3.4 Thiết kế mạch vòng dòng điện sử dụng phương pháp xử lý

song song

13


3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện PI
Start

N
Rising Edge CLK?
Y
Get data SP
Get data FB
e_k ← SP-FB
I_k ← Ki*e_k
Up_k ← Kp*e_k

Y

N

Saturation = ‘1’ ?

I_k←0

Ui_k ← Ui_k_1 + I_k
U_k ← Up_k +Ui_k
Y

U_k > Upper_Limit ?

Y

U_k ← Upper_Limit
Saturation ←‘1’

N

U_k < Lower_Limit ?

U_k ← Lower_Limit
Saturation ←‘1’

N

Saturation ←‘0’

Ui_k_1 ← Ui_k
N

Output data
U_k
Y
End

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán của bộ điều khiển PI trên nền tảng
FPGA
3.2.2

Thiết kế khâu đo dịng điện


Hình 3.10 Các khối thực hiện đo dòng stator trên FPGA
3.2.3 Thiết kế khâu đo tốc độ

14


Start
Counter ← 0

N
Rising Edge CLK?
Y
Get data channel a
Get data channel a
EncoderVal <<2
EncoderVal(1) ← channel a
EncoderVal(0) ← channel b

EncoderVal ← EncoderVal & 0Fh
Int_mumber ← to_integer(EncoderVal)
EncoderCount ← EncoderCount + Array(Int_number)

Counter < 500
N

Y

Counter ← 0
Omega ← EncoderCount*3.06796
EncoderCount ← 0


N

Counter ←Counter + 1
Omega ← Omega

Output data
Omega
Y
End

Hình 3.13 Lưu đồ thuật tốn đọc encoder
3.2.4 Thiết kế các khâu chuyển hệ tọa độ
Start

N
Rising Edge CLK?
Y
Get data CH1_a
Get data CH2_b

Isa ← CH1_a*100/4095 – 50
Isb ← CH2_b*100/4095 – 50
Isc ← – Isa – Isb

Output data
Isa, Isb, Isc

End


Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán khối chuyển hệ tọa độ abc sang dq

15


Start

N
Rising Edge CLK?
Y
Get data Usd
Get data Usq
Get data Sin_theta
Get data Cos_theta

Usα ← Usd*Cos_theta – Usq*Sin_theta
Usβ ← Usd*Sin_theta + Usq*Cos_theta

N

Output data
Isd, Isq
Y
End

Hình 3.15 Lưu đồ thuật tốn khối chuyển tọa độ dq sang αβ
3.2.5 Thiết kế khâu phát xung SVM
Start

N

Rising Edge
CLK?

Get data Ua
Get data Ub

Ub* = Ub /sqrt(3)
N
N

N

Ub* ≤ -Ua ?

Sector ← 6

Ub ≥ Ua ?
Y

Y

Ub* ≥ 0 ?
Y

*

Y

Sector ← 4


Ub* ≤ Ua ?

Sector ← 1

Sector ← 5

N

N

Ub* ≤ -Ua ?

Sector ← 2

Sector ← 3

Output data Sector

Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán khối chọn sector.

16

Y


Hinh 3.22 Dạng sóng của các khâu thiết kế điều khiển dịng điện
3.3 Kết quả mơ phỏng thời gian thực
UDC
C1


FOC
(Flux Model,
PI controller,
Invert Clark
transform, ... )
Isa
Isb
Isc

Usd
SVPWM
Usq

CH1_a
Convert
data

CH2_b

XADC

JC1P

PWM A _top

DI1

JC3P

PWM A _bot


DI4

JC1N

PWM B_top

JC3N

PWM B_bot

JC2P

PWM C_top

JC4P

PWM C_bot

INV

DI3
DI6
DI5
DI2

JA4P

AO1


JA4N
JA3P

Isa

AO2

Isb

JA3N

ωe

Read
Encoder

JC2N

DO32

JC4N

DO31

GND

GND

Channel a


IM

Channel b

Hình 3.27 Sơ đồ nối dây giữa FPGA và Typhoon HIL 402.
TH1: Khi động cơ chạy khơng tải
10

Isa
Isb
Isc

Stator Current (A)

5

0

-5

-10

0

0.02

0.04

0.06


0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

time (s)

Hinh 3.31 Dịng điện stator khi

17

ωsp = 150( rad / s ) .


TH2: Tải khơng đổi 30Nm
15

Isa
Isb

10


Isc

Stator Current (A)

5
0
-5
-10
-15

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18


0.2

time(s)

Hình 3.35 Dịng điện stator khi ωsp =
190 (rad / s)
TH3: Tải không đổi -30Nm
15
Isa
Isb

10

Isc

Stator Current (A)

5

0

-5

-10

-15

0


0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

time (s)

Hình 3.40 Dịng điện stator khi

ωsp = 190( rad / s )

CHƯƠNG 4.
ĐIỀU KHIỂN KHÁNG NHIỄU CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU
4.1 Các ảnh hưởng của nhiễu lên các mạch vòng điều chỉnh PI

trong cấu trúc điều khiển FOC cho động cơ động cơ xoay chiều
ba pha
4.2 Các phương pháp kháng nhiễu sử dụng các cấu trúc điều
khiển nâng cao.

4.3 Thiết kế thuật toán kháng nhiễu phi tuyến cho động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
4.3.1 Mơ hình hóa động cơ PMSM

18


 dω 3pcψ p
B
p
isq - ωs - TL + δω
=
4J
J
2J
 dt
 disq
ψ
R
1
=- s isq - p ωs + usq - ωs isd + δq

Ls
Ls
Ls

 dt
 disd
R
1
=- s isd + usd + ωs isq + δd

Ls
Ls
 dt

(4.2)

Dựa vào (4.2) mơ hình động học chú ý tới sự không rõ ràng
của các thông số và được diễn giải như sau:

 dω
 dt = g1isq - g 2 ωs - d ω

 disq
= -g 4 isq - g 5 ωs + g6 usq - ωs isd + d q

 dt
 disd
 dt = -g 4 isd + g6 usd + ωs isq + d d


(4.3)

4.3.2 Thiết kế bộ quan sát nhiễu phi tuyến và đánh giá ổn định


 m1w + m2 w3 m3isq + m4isq 3 m5isd + m6 isd 3 
p ( x0 ) =

 m1 + 3m2 w2

=
L( x0 ) 
0

0

0
m3 + 3m4 isq 2
0

19


0

0

m5 + 3m6 isd 2 

(4.12)
(4.13)


Hình 4.7 (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.
4.2 Kết quả mơ phỏng

a) Tải tác động theo hình dạng bước nhảy

Hình 4.8 So sánh đáp ứng tốc độ thu được khi sử dụng bộ kháng
nhiễu NDO và khi không sử dụng NDO

20


Hình 4.9 Mơ-men tải (Load Torque) và mơ-men điện từ

Hình 4.11 Đáp ứng khi sử dụng và không sử dụng NDO (a)
Dòng điện theo trục d isd . (b) Điện áp theo trục q

isq .

b. Tải thay đổi theo hình Ramp

Hình 4.15 So sánh đáp ứng tốc độ khi sử dụng bộ kháng nhiễu
NDO

21


Hình 4.16 Mơ-men tải (Load Torque) và mơ-men điện từ

a)


b)
Hình 4.18 Đáp ứng khi sử dụng và không sử dụng NDO (a) Dòng
điện theo trục d isd . (b) Điện áp theo trục q

22

isq