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 - 2024


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 - 2024


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 11 tháng 01 năm 2024
Tập thể hướng dẫn khoa học
Nghiên cứu sinh

PGS.TS Vũ Hoàng Phương

PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

Lê Nam Dương

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TL. GIÁM ĐỐC
TRƯỞNG BAN ĐÀO TẠO

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

Mục lục
ii


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 tốn 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 dịng 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
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
iii



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

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
iv


ADC
Clk
CPU

Analog-to-Digital Converter
Clock
Central Processing Unit

Bộ chuyển đổi tương tự - số
Xung nhịp
Bộ xử lý trung tâm


DSP

Digital Signal Processor

Xử lý tín hiệu số

ĐB-KTVC

Đồng bộ - kích thích vĩnh cửu

ĐCXCBP

Động cơ xoay chiều ba pha

FSM

Finite-State Machine

Máy trạng thái hữu hạn

FOC

Field Oriented Control

Điều khiển hướng trường

Field Programmable Gate
Array
Hard ware in the loop

simulation
Insulated Gate Bipolar
Transistor

Mô phỏng thiết bị phần cứng

IM

Induction motor

Động cơ không đồng bộ

IP

Intellectual Property

Tài sản trí tuệ

FPGA
HIL
IGBT

Mảng cổng lập trình trường

Van bán dẫn IGBT

KĐB-RLS

Khơng đồng bộ -rotor lồng sóc


KĐB

Khơng đồng bộ

LDO

Linear Disurbance Observer

MHTT

Bộ quan sát nhiễu tuyến tính
Mơ hình tính tốn từ thơng

Nonlinear Disurbance
Observer
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

Space vector Pulse Width
Modulation
Verilog Hardware
Description Language

Điều chế độ rộng xung vector
không gian

NDO
PMSM

SVPWM
VHDL

Bộ quan sát nhiễu phi tuyến

Ngôn ngữ mô tả phần cứng

2. Danh mục các ký hiệu
Ký Hiệu


Đơn vị

Ý Nghĩa
v


Lsd
Lsq
Lm
λm
λf
isd
isq
λsd
λsq
usd
usq
ω
θe
isα
isβ
usα
usβ
Rs
J1, J2
s , r

 sd , sq
 rd , rq
zp


,

mH
mH
mH
wb
wb
A
A
wb
wb
V
V
rad/s
rad
A
A
V
V
Ω
Kg.m2
Wb

Điện cảm pha của stator trên trục d
Điện cảm pha của stator trên trục q
Hỗ cảm giữa cuộn dây rotor với cuộn dây stator
Từ thơng móc vịng giữa từ trường rotor với stator
Từ thơng rotor
Dịng điện stator trên trục d

Dịng điện stator trên trục q
Từ thông stator trên trục d
Từ thông stator trên trục q
Điện áp stator trên trục d
Điện áp stator trên trục q
Tốc độ góc rotor
Vị trí vector từ trường rotor
Dòng điện stator trên trục α
Dòng điện stator trên trục β
Điện áp stator trên trục α
Điện áp stator trên trục β
Điện trở stator
Mơmen qn tính động cơ và tải
Vector từ thông stator và rotor

Wb

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

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ TH
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 ngun lý tựa theo từ thơng
rotor...............................................................................................................................10
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 dịng điện.................................16
Hình 1.7 Cấu trúc bộ điều khiển dịng stator i ..................................................................17
Hình 1.8 Cấu trúc của bộ điều khiển tốc độ quay...............................................................18
Hình 1.9 Mạch vòng tốc độ xét tới ảnh hưởng của mơmen tải...........................................19
Hình 1.10 Cấu trúc hệ truyền động trên DSP......................................................................21
Y
sd

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
Hình 3.10 Các khối thực hiện đo dịng stator trên FPGA....................................................60
Hình 3.11 Nhiễu của động cơ trên encoder.........................................................................60
vii


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 tốn 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 mơ 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

sp 150( rad / s )


............................................................85

Hình 3.33 Tốc độ động cơ và mơmen động cơ sinh ra khi
Hình 3.34 Dòng điện stator khi

sp 95( rad / s )
sp 190(rad / s)

sp 150(rad / s)

sp 30 (rad / s)

......................86

sp 190( rad / s )

....................86

................................................................87

Hình 3.39 Tốc độ động cơ và mơmen động cơ sinh ra khi
Hình 3.40 Dịng điện stator khi

sp 95( rad / s )

................................................................86

Hình 3.37 Tốc độ động cơ và mơmen động cơ sinh ra khi
Hình 3.38 Dịng điện stator khi


..................85

...............................................................85

Hình 3.35 Tốc độ động cơ và mơmen động cơ sinh ra khi
Hình 3.36 Dịng điện stator khi

sp 150( rad / s )

sp 150( rad / s )

...................87

................................................................87

 30( rad / s )

Hình 3.41 Tốc độ động cơ và mômen động cơ sinh ra khi sp
...................87
 190( rad / s )
Hình 3.42 Dịng điện stator khi sp
................................................................88
Hình 3.43 Dịng điện stator khi

sp 128( rad / s )

............................................................88

Hình 3.44 Tốc độ động cơ và mômen động cơ sinh ra khi


sp 128( rad / s )

....................88
viii


Hình 3.45 Dịng điện stator khi

sp 32( rad / s )

...............................................................89

 32( rad / s )
Hình 3.46 Tốc độ động cơ và mơmen động cơ sinh ra khi sp
......................89
Hình 3.47 Tài nguyên sử dụng trên FPGA..........................................................................90
Hình 3.48 Chu kì thực hiện thuật tốn FOC với tần số 100kHz.........................................90
Hình 3.49 Thời gian thực hiện thuật toán FOC cho động cơ ĐB-KTVC trên FPGA.........91
Hình 3.50 Đáp ứng dịng điện stator khi tốc độ đặt là

sp 628( rad / s )

Hình 3.51 Đáp ứng tốc độ và mơmen khi tốc độ đặt là
Hình 3.52 Đáp ứng dòng điện stator khi tốc độ đặt là

.........................92

sp 628( rad / s )


sp 300( rad / s )

Hình 3.53 Đáp ứng tốc độ và mơmen khi tốc độ đặt

sp 300( rad / s )

Hình 3.54 Đáp ứng tốc độ và mômen khi tốc độ đặt

sp 30( rad / s )

........................92

.........................92

.............................93

..............................93

 30( rad / s )
Hình 3.55 Đáp ứng dịng điện stator, tốc độ và mơmen khi tốc độ đặt là sp
Mơmen tải 15Nm...........................................................................................................94
Hình 3.56 Đáp ứng tốc độ và mômen khi tốc độ đặt là

sp 280( rad / s )

Hình 3.57 Đáp ứng dịng điện stator khi tốc độ đặt là

sp 280( rad / s )

Hình 3.58 Đáp ứng dòng điện stator khi tốc độ đặt là


sp 30( rad / s )

Hình 3.59 Đáp ứng tốc độ và mômen khi tốc độ đặt là

v.....................94

.........................95

............................95

sp 30( rad / s )

..........................95

Hình 4.1 Sơ đồ hàm truyền nhiễu mơ 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 Mơ-men tải (Load Torque) và mơ-men điện từ (Electromagnetic Torque).....109
Hình 4.11 Đáp ứng khi sử dụng và không sử dụng NDO.................................................109

u


u

(a) Điện áp theo trục d sd . (b) Điện áp theo trục q sq ....................................................109
Hình 4.12 Đáp ứng khi sử dụng và khơng sử dụng NDO.................................................110
(a) Dịng điện theo trục d

isd . (b) Điện áp theo trục q isq ...................................................110
ix


Hình 4.13 Giá trị thực và giá trị quan sát của nhiễu bất định của vịng tốc độ

d ..........110

Hình 4.14 Giá trị thực và quan sát của nhiễu bất định vịng dịng điện theo trục d

d d ....111
d

Hình 4.15 Giá trị thực và quan sát của nhiễu bất định vòng dịng điện theo trục q 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 khơng sử dụng NDO.................................................113

usd . (b) Điện áp theo trục q usq ....................................................113
i
Hình 4.19 Đáp ứng khi sử dụng và khơng sử dụng NDO (a) Dòng điện theo trục d sd (b)
(a) Điện áp theo trục d

Điện áp theo trục q


isq

.................................................................................................113

Hình 4.20 Giá trị thực và giá trị quan sát của nhiễu bất định vịng tốc độ d ..................114
Hình 4.21 Giá trị thực và giá trị quan sát của nhiễu bất định vịng dịng theo trục d d1d . 114
d
Hình 4.22 Giá trị thực và giá trị quan sát của nhiễu bất định vòng dòng theo trục q 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 Thơng 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 công suất các động
cơ 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 công 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 cơng 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
4


điều khiển PI. Các kết quả mô 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