TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====

BÁO CÁO ĐỒ ÁN II
ĐỀ TÀI: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN FOC CHO ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Trưởng bộ môn

: PGS.TS Trần Trọng Minh

Giáo viên hướng dẫn

: PGS.TS Tạ Cao Minh

Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Xuân Tú

Lớp

: TĐH4 - K59

MSSV

: 20145056

Hà nội, 1-2018

Mục lục

MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................... i
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................... iii
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY
CHIỀU BA PHA ................................................................................................................ 5
1.1 Cấu tạo động cơ điện KĐB ....................................................................................... 5
1.1.1 Stator(phần tĩnh) ................................................................................................. 6
1.1.2 Rotor(phần quay) ................................................................................................ 7
1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB .................................................................... 8
1.3. Phân loại động cơ KĐB ........................................................................................... 9
1.4. Các đại lượng định mức của động cơ KĐB ........................................................... 10
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA
PHA ................................................................................................................................... 11
2.1. Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ .......................................... 11
2.2. Phép chuyển hệ tọa độ giữa abc và dq ................................................................... 12
2.3. Xây dựng mô hình toán học của động cơ trên hệ trục tọa độ d-q .......................... 13
2.4. Tính toán thông số động cơ .................................................................................... 17
CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC......... 19
3.1. Ý tưởng của phương pháp ...................................................................................... 19
3.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển vecto động cơ KĐB .................................... 20
3.3. Phương pháp điều khiển ......................................................................................... 20
3.4. Thiết kế các bộ điều khiển ..................................................................................... 22
3.4.1 Cấu trúc điều khiển vector gián tiếp ................................................................. 23
3.4.2 Thiết kế bộ bù từ thông .................................................................................... 23
3.6.3 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện ..................................................................... 25
3.4.4 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ ........................................................................... 29

3.4.5. Thiết kế bộ điều khiển từ thông ....................................................................... 30
3.4.6. Khâu dẫn từ thông ........................................................................................... 31
3.4.7. Chống bão hòa tích phân ................................................................................. 32
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG.................... 33
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 37


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1. Động cơ điện KĐB ................................................................................................. 5
Hình 2 Stator động cơ KĐB ................................................................................................ 6
Hình 3. Vỏ máy động cơ KĐB ............................................................................................ 7
Hình 4. Rotor động cơ KĐB ................................................................................................ 7
Hình 5. Mô hình toán học động cơ KĐ trên hệ trục tọa độ dq .......................................... 17
Hình 6. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển ................................................................... 20
Hình 7. Mô hình dòng stator sau khi bù từ thông .............................................................. 24
Hình 8. Mô hình dòng stator sau khi bù từ thông .............................................................. 25
Hình 9. Bộ điều khiển dòng isd ......................................................................................... 26
Hình 10. Đáp ứng bước nhảy của đối tượng khi có bộ điều khiển.................................... 27
Hình 11. Bộ điều khiển dòng isq ....................................................................................... 28
Hình 12. Đáp ứng bước nhảy của đối tượng khi có bộ điều khiển.................................... 29
Hình 13. Đáp ứng bước nhảy của đối tượng vận tốc khi có bộ điều khiển ....................... 30
Hình 14. Đáp ứng bước nhảy của đối tượng từ thông khi có bộ điều khiển ..................... 31
Hình 15. Khâu dẫn từ thông .............................................................................................. 31
Hình 16. Bộ điều khiển PI có chống bão hòa tích phân .................................................... 32
Hình 17. Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp RFOC ................ 33
Hình 18. Đáp ứng với các thông số thiết kế ở chương 3 ................................................... 34
Hình 19. Đáp ứng với các thông số đã được tinh chỉnh .................................................... 35

Hình 20. Đáp ứng của động cơ ở vùng tốc độ cao ........................................................... 36

ii


Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
KĐB

Không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ

FOC

Field Orientated Control

Phương pháp điều khiển tựa hướng
từ thông

BĐK

Bộ điều khiển

Bộ điều khiển


Lời nói đầu


LỜI NÓI ĐẦU
Phương pháp FOC (Field Oriented Control) cho động cơ không đồng bộ 3 pha đã
và đang là giải pháp hàng đầu trong các hệ thống truyền động hiện đại ngày nay. Nó dần
thay thế các hệ truyền động điện dùng động cơ DC với giá thành cao và độ tin cậy thấp.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi xử lý, đặc biệt là
sự ra đời của máy tính số với tốc độ xử lý cao, việc thực hiện các hệ thống điều khiển với
thuật toán phức tạp trở nên dễ dàng, tạo bước nhảy vọt về kỹ thuật điều khiển động cơ.
Điều khiển FOC theo nguyên lý hướng từ trường xác định điều kiện để điều khiển
độc lập từ thông và momen cũng như điều khiển momen tối ưu trong cả hai trạng thái quá
độ và xác lập.
Phần mềm Matlab-Simulink được sử dụng để mô phỏng, khảo sát và phân tích đáp
ứng của hệ thống điều khiển có tham số không đổi. Nó cho kết quả phù hợp với lý thuyết
và thực tiễn.
Trong phạm vi của đồ án chỉ đi sâu vào tìm hiểu cấu trúc điều khiển FOC và thuật
toán điều khiển cho động cơ KĐB xoay chiều 3 pha.
Được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS Tạ Cao Minh, bộ môn Tự
động hóa Xí nghiệp công nghiệp, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em đã hoàn thành
xong đề tài với yêu cầu đề ra tuy nhiên không thể tránh khỏi sai sót, mong thầy cho em
những đánh giá để em có thể hoàn thiện đồ án này một cách tốt nhất
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 5 tháng 1 năm 2018
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Xuân Tú

4


Chương 1. Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG

ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA
Động cơ KĐB xoay chiều 3 pha là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm
ứng điện từ, có tốc độ của rotor khác với tốc độ từ trường quay trong máy.
Đông cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo
đơn giản, giá thảnh rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như không
cần bảo trì. Dải công suất rất rộng từ vài Watt đến 10000hp.Các động cơ từ 5Hp trở lên
hầu hết là 3 pha còn động cơ nhỏ hơn 1Hp thường 1 pha.

1.1 Cấu tạo động cơ điện KĐB
Máy điện không đồng bộ (KĐB) gồm hai bộ phận chủ yếu là stator và rotor, ngoài ra
còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy.

Hình 1. Động cơ điện KĐB
Trục làm bằng thép, trên đó gắn rotor, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để
làm mát máy dọc trục.
1. Lõi thép stato
2. Dây quấn stato
7. Nắp máy
4. Ổ bi
5. Trục máy
6. Hộp dầu cực
7. Lõi thép rôto
5


Chương 1. Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

8. Thân máy
9. Quạt gió làm mát
10. Hộp quạt

1.1.1 Stator(phần tĩnh)
Stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và
nắp máy
Lõi thép stator có dạng hình trụ, từ các lá thép kỹ thuật điện, có dập rãnh bên trong,
ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy

Hình 2 Stator động cơ KĐB

Dây quấn stator thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và đặt trong các
rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha stator sẽ tạo
nên từ trường quay.

Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang

6


Chương 1. Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

Hình 3. Vỏ máy động cơ KĐB
1.1.2 Rotor(phần quay)
Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõi thép
stator ghép lại, mặt ngoài dập rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắp trục.
Trục của máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép rôto.
Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu : rotor ngắn mạch còn gọi
là rotor lồng sóc và rotor dây quấn.
Rotor lồng sóc: gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn
mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với đồng cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc
nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát. Các

động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và
gắn chặt vào vành ngắn mạch.

Hình 4. Rotor động cơ KĐB

7


Chương 1. Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

Rotor dây quấn: được quấn dây giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số
cực từ như dây quấn stator.
Dây quấn kiểu nầy luôn luôn đấu sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt,
gắn vào trục quay của rotor và cách điện với trục.
Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt nầy để dẫn điện vào một biến trở
cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB
Khi dòng điện ba pha trong dây quấn stato → trong khe hở không khí xuất hiện từ
trường quay với tốc độ n1 

60 f1
. Từ trường nầy quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn
p

mạch đặt trên lõi sắt rôto, làm cảm ứng trong dây quấn rôto các sđđ E2. Do rôto kín mạch
nên trong dây quấn có dòng điện I2. Từ thông do dòng điện I2 hợp với từ thông của stato
tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn rôto tác dụng với từ thông
khe hở sinh ra mômen. Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rôto.
Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác

nhau. Sau đây ta sẽ nghiên cứu tác dụng của chúng trong ba phạm vi tốc độ.
Hệ số trượt s của máy
Các trường hợp hệ số trượt:
n = n1 → s = 0
n=0 →s=1
n > n1 → s < 0
n < 0 → s > 1 (rôto quay ngược chiều từ trường quay)

 Roto quay cùng chiều từ trường quay, tốc độ n < n1 (0 < s < 1)
Giả thiết về chiều quay n1 của từ trường khe hở F
và của rôto n như hình bên.
Theo qui tắc bàn tay phải, xác định được chiều
sđđ E2 và I2;
Theo qui tắc bàn tay trái, xác định được lực Fđt
và mômen M.
Ta thấy F cùng chiều quay của rôto, điện năng
đưa tới stato, thông qua từ trường đã biến đổi thành
cơ năng trên trục làm quay rôto theo chiều từ
trường quay n1 → Máy làm việc ở chế độ động cơ.

8


Chương 1. Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

 Roto quay cùng chiều từ trường quay, tốc độ n > n1 (s < 0)
Dùng động cơ sơ cấp quay rôto của máy điện không
đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ n > n1.
Chiều của từ trường quay quét qua dây quấn rôto
ngược lại, sức điện động và dòng điện trong dây quấn

rôto đổi chiều nên mômen M ngược chiều của n1, nghĩa
là ngược chiều của rôto, nên đó là mômen hãm.
Máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục động cơ điện,
do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho
lưới điện, nghĩa là máy điện làm việc ở chế độ máy phát
điện

 Roto quay ngược chiều từ trường quay, tốc
độ n < 0 (s > 1)
Vì nguyên nhân nào đó mà rôto của máy điện quay
ngược chiều từ trường quay, lúc này chiều sđđ, dòng
điện và mômen giống như ở chế độ động cơ điện. Vì
mômen sinh ra ngược chiều quay với rôto nên có tác
dụng hãm rôto lại.
Trong trường hợp này, máy vừa lấy điện năng ở
lưới điện vào, vừa lấy cơ năng từ động cơ sơ cấp.
Chế độ làm việc như vậy gọi là chế độ hãm điện từ.

1.3. Phân loại động cơ KĐB
 Phân theo kết cấu vỏ máy.
+ Kiểu kín
+ Kiểu bảo vệ
+ Kiểu hở

 Phân theo số pha.
+ Một pha
+ Hai pha
+ Ba pha

 Phân theo kiểu dây quấn rôto.

+ Không đồng bộ rôto lồng sóc.
+ Không đồng bộ rôto dây quấn.

9


Chương 1. Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

1.4. Các đại lượng định mức của động cơ KĐB
Các trị số định mức do nhà máy thiết kế, chế tạo qui định và được ghi trên nhãn máy.
Vì máy điện không đồng bộ chủ yếu dùng làm động cơ điện nên trên nhãn máy ghi các trị
số định mức của động cơ như sau :
1. Công suất định mức Pdm(kW,W)
2. Điện áp định mức Udm (V).
3. Dòng điện định mức Idm (A).
4. Tốc độ quay định mức ndm (vòng/phút).
5. Hiệu suất định mức ηđm %.
6. Hệ số công suất định mức cos  đm .
Đối với động cơ điện không đồng bộ, công suất định mức là công suất trên đầu trục
động cơ. Còn động cơ ba pha, điện áp và dòng điện ghi trên nhãn máy là điện áp và dòng
điện dây tương ứng với cách đấu hình sao (Y) hay đấu hình tam giác (Δ).

10


Chương 2. Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG
BỘ XOAY CHIỀU BA PHA
2.1. Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ

Động cơ KĐB xoay chiều 3 pha có stator được xây dựng bởi ba pha dây cuốn đặt
lệch nhau một góc 120  trong không gian. Các cuộn dây được phân bố rải trong không
gian và đối xứng nhau. Động cơ KĐB được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân bậc
cao. Để có thể tìm được mô hình đối tượng cho phép thực hiện dễ dàng công việc thiết kế
các thuật toán, ta sẽ phải chấp nhận các giả định gần đúng sau: thành phần điện cảm L,
điện trở R là các tham số không đổi, cuộn dây ba pha được bố trí đối xứng, khe hở không
khí giữa stator và rotor là tròn đều.
Các đại lượng điện và từ thông được mô tả dưới dạng vector với các thành phần thực.
Tại đây có một vài quy ước như sau:
 Chỉ số viết bên phải, trên cao:
f

đại lượng mô tả trên hệ tọa độ tựa theo từ thông(hệ tọa độ dq quay
đồng bộ với vector từ thông

s

đại lượng mô tả trên hệ tọa độ  cố định với stator

r

đại lượng mô tả trên hệ tọa độ cố định với rotor

*

đại lượng đặt

 Chỉ số viết bên phải, phía dưới:
Chữ cái thứ nhất:


Chữ cái thứ hai:

s

đại lượng mạch stator

r

đại lượng mạch rotor

d,q

các thành phần thuộc hệ tọa độ dq

, 

các thành phần thuộc hệ tọa độ 

 Các đại lượng viết đậm: vector, ma trận
Các phương trình cơ bản của động cơ KĐB
 Phương trình điện áp stator (trên hệ thống cuộn dây stator)

uss = Rsiss +

d s s
dt
11


Chương 2. Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha


Rs: điện trở stator;  s s : từ thông stator
 Phương trình điện áp rotor ( trên hệ thống cuộn dây rotor ngắn mạch)
0 = Rrirr +

d r r
dt

Rr: điện trở rotor;  r r : từ thông rotor; 0: vector rỗng
 Phương trình từ thông
 s  Lsis  Lmir
L L L
với s m  s

Lr  Lm  L r
 r  Lmis  Lr ir

 Phương trình mô men quay
mM =

3
3
p( s xir )  p( r xis )
2
2

 Phương trình chuyển động
M = ML +

J d

p dt

Trong đó các đại lượng
M: mô men của động cơ
ML: mô men của tải
J: mô men quán tính của động cơ
 : tốc độ quay của rotor

p: số cặp cực của động cơ

2.2. Phép chuyển hệ tọa độ giữa abc và dq
Để thuận lợi cho việc điều khiển động cơ KĐB cũng như phân tích phương pháp điều
khiển động cơ ta sử dụng phép chuyển hệ tọa độ từ hệ tọa độ tĩnh abc sang hệ tọa độ
quay dq và có chung gốc tọa độ, phép chuyển tọa độ này được gọi là phép chuyển Park
trong đó các đại lượng điện áp, dòng điện, từ thông stator được biểu diễn trong hệ tọa độ
dq quay theo góc  s quanh hệ tọa độ cố định abc.

12


Chương 2. Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Đại lượng điện áp stator trên hệ tọa độ abc chuyển sang hệ tọa độ dq

2
2 
cos( s  )
cos( s  )  U a 
U d  2 cos s
3

3  U 
  
 b
U q  3   sin   sin(  2 )  sin(  2 )   
s
s
s

3
3  U c 

Từ đây suy ra:

2
2
2 
U d  U a cos s  U b cos( s  )  U c cos( s  ) 
3
3
3 
Uq 

2 
2
2 
U a sin  s  U b sin( s  )  U c sin( s  ) 

3 
3
3 


Phép chuyển tọa độ này cũng thực hiện được với dòng điện và từ thông với góc  s là
góc lệch giữa hệ tọa độ dq và abc. Ngược lại ta muốn chuyển hệ tọa độ dq về hệ tọa độ
abc ta dùng công thức sau:


cos s
U a 
  2 

2
U b   cos  s 
3

U  3 
 c
cos   2
 s

3



 sin  s


2
  sin  s 
3





2
  sin  s 
3






  U d 
  
  U q 





2.3. Xây dựng mô hình toán học của động cơ trên hệ trục tọa độ d-q
Trong việc xây dựng các phuong trình toán học nhằm mô tả những đặc điểm của
động cơ không đồng bộ phải thể hiện được đặc điểm của động cơ, việc xây dựng các mô
hình dựa trên phương trình toán học nhằm phục vụ cho việc tạo ra các thuật toán điều
khiển với sai lệch nằm trong phạm vi cho phép, các sai lệch này sẽ được loại trừ bằng các
phương pháp điều chỉnh.
Ta hình dung ra một hệ tọa độ mới quay với tốc độ góc

k


. Việc chuyển đổi các đại

lượng giữa hệ tọa độ mới và hệ tọa độ của hệ thống cuộn dây đang xét được thực hiện
như sau :
a) Phương trình điện áp stator

13


Chương 2. Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

u s s  u k s .e jk ; i s s  i k s .e jk ; s s  k s .e jk ; d s e jk  jk k se jk
dt
s

Thay các đại lượng mới chuyển vào phương trình ở phần 2.1 ta sẽ thu đuộc
phương trình điện áp stator mới trên hệ tọa độ quay với tốc độ góc k

uk

k
d

s  j i k
s  Rs s 
k s
dt

ik


Tuy nhiên, ta hoàn toàn không đi tìm một hệ tọa độ tùy ý bất kỳ, phương trình
tổng quát trên cần được áp dụng cho hệ tọa độ cụ thể, đó là : hệ tọa độ cố định với
stator



hoặc hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông rotor dq .Ta sẽ thu được mô

hình khi thay :


k  s

: với

s

là tốc độ góc của các vector thuộc mạch điện stator và

của vector từ thông rotor
f
d

s  j  f
u s  Rsi s 
s
s
dt
f


f

Phương trình trên là phương trình điện áp stator trên hệ tọa độ dq
Hệ tọa độ này được chọn sao cho trục thực d của hệ trùng với trục của từ
thông rotor. Trong hệ tọa độ này, thành phần vuông góc q của từ thông
rotor bằng không. Hệ được gọi là hệ tọa độ dq.
b) Phương trình điện áp rotor.
Việc áp dụng công thức chuyển hệ tọa độ được thực hiện giống như phía stator
r
k
i r r  i k r .e jk ; r r  k r .e jk ; d r  d r e jk  jk k r e jk
dt
dt

Sau khi thay các đại lượng chuyển hệ vào phần 2.2 ta thu được :
0=

k
Rr i k r + d r  jk k r
dt

Phương trình trên biểu diễn trên hệ tọa độ tựa hướng từ thông rotor :


k  s    r : hệ tọa độ mới chuyển động tương đối so với rotor với
tốc độ góc r ( do là hệ tọa độ dq quay với tốc độ s so với hệ tọa độ đứng
yên ; rotor quay với tốc độ  so với hệ tọa độ đứng yên). Hệ quay vượt trước
14



Chương 2. Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

r

rotor một khoảng tần số trượt
từ thông rotor. Sau khi thay

r

Rri f r  d r  jr
dt
f

0=

f

và vì vậy sẽ trùng với hệ tọa độ tựa hướng

vào phương trình trên ta thu được.

r

Phương trình trên là phương trình điện áp rotor trên hệ tọa độ dq.
Đến đây ta đã hoàn thành việc chuyển hai phương trình điện áp stator và rotor từ
các hệ thống cuộn dây ba pha sang hai hệ tọa độ dq và  . Các phương trình đó
chính là điểm xuất phát để xây dựng mô hình trạng thái liên tục của động cơ KĐB
trên hệ tọa độ dq và  .

Mô hình toán học của động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq

Hai phương trình stator và rotor trên hệ tọa độ dq được tập hợp trong hệ phương
trình sau đây :
f

u f s  R s .i f s  d s

dt

f
0  R .i f  d r 
r
r

dt

 f  L i f  L i f
s
s s
m r

 f  L i f  L i f
r
m s
r r


 js
jr

f


f

s

r

Ta tìm cách khử dòng rotor i f r (không đo được) và từ thông stator  f s ra khỏi hệ
phương trình và thu được :
 d f
r  ( Rr  j (   )) f  Rr L i f

s
r
Lr
Lr m s
 dt
 f
 di s u f s

 ( 1  1   js )i f s  1 

Ls
T s  Tr

 dt

Với

Tr  Lr ; T s  Ls

Rr
Rs
2
  1 L m

Ls Lr

( j  1 )
Tr

f

hằng số thời gian rotor, stator;

hệ số từ tản toàn phần

15

s


Chương 2. Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Chiếu hệ phương trình lên các trục d và q ta thu được hệ phương trình sau :
 di
 sd  ( 1  1  )i   i  1   '  1   '  1 u
rq
 dt
 Ts  Tr sd s sq  Tr rd 
 Ls sd


 disq
 sisd  ( 1  1 )isq  1  'rd  1  'rq  1 usq


 Ts  Tr
 Tr
 Ls
 dt

'
 d rd
 1 isd  1  'rd  (s   ) 'rq

Tr
Tr
 dt

'
1 i  (   ) '  1  '
 d rq

s
rq
 dt
rd T
Tr sq
r



Với  'rd  rd / Lm ; 'rq  rq / Lm ;s    r
Sau khi rút i f r từ hệ và thay vào 2 phương trình mô men trong sách ta thu được
công thức tính mô men từ các thành phần với điều kiện : khi tựa theo hướng của từ thông
rotor ta có thể đặt  rq

0

3 L2
3
mM  z p m  'rd isq  z p (1  ) Ls 'rd isq
2
Lr
2
Mô hình Simulink của động cơ KĐB ba pha trên hệ tọa độ dq

16


Chương 2. Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Hình 5. Mô hình toán học động cơ KĐ trên hệ trục tọa độ dq
2.4. Tính toán thông số động cơ
Các thông số đã biết
- U dm

 200V , f  50 Hz

-

P  2.2kW


-

zp  2

-

  1430r / min

-

Rs  0.877

-

Rr  1.47

-

Ls  Lr  165.142mH

-

Lm  160.8mH

-

J  0.015kg.m2

17



Chương 2. Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Từ đó tính được
Tại điểm làm việc định mức


M dm 



rN 

Pdm

dm

2 f N
 dm  7.33 (rad / s)
zp

 Tính toán

M dm 




isd và isq


3 Lm 2
z i i
2 Lr p sd sq

isd isq 

rN 

 14.7 Nm

M dm
 31.3 (1)
3 Lm 2
z
2 Lr p

isq
Tr isd

isq
 0.823 (2)
isd
isq  5 ( A)

Từ (1) và (2) tính được 

isd  6.2( A)




Từ thông rotor định mức

 dm  Lmisd  0.997
Ở dải tốc độ

điều khiển 

  (n ;n )

 dm  0.997 (Vs)

Ở dải tốc độ ngoài dải định mức, điều khiển  suy giảm theo tỷ lệ



 dm

dm

18

1




Chương 3. Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB BẰNG

PHƯƠNG PHÁP FOC
3.1. Ý tưởng của phương pháp
Nhìn vào mối quan hệ giữa từ thông, mô men điện từ, dòng

isd và isq , ta có nhận

xét như sau: với động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập thì mô men điện từ của động cơ
được điều khiển bởi dòng phần ứng
khiển bởi dòng kích từ do  kt

mM  k1 kt I . Từ thông của động cơ được điều

 k2ikt

. Như vậy việc điều khiển động cơ một chiều

kích từ độc lập là việc điều khiển hai thành phần dòng kích từ và dòng phần ứng là ta có
thể điều khiển được từ thông và mô men quay của động cơ một chiều kích từ độc lập
Ở hệ phương trình của mô hình toán học của động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq, ta có

 rd
và isq

sự tượng quan giữa từ thông rô to

và mô men điện từ M của động cơ KĐB được

điều khiển bởi 2 thành phần

. Như vậy coi việc điều khiển từ thông rô to và


isd

điều khiển mô men của động cơ KĐB là độc lập và nếu xét trên hệ tọa độ dq thì đó là hai
thành phần một chiều. Vậy việc điều khiển gần như độc lập( thực tế có sự tương tác) hai
thành phần dòng

isd và isq để điều khiển tốc độ động cơ KĐB trên hệ tọa độ véc tơ

quay dq được gọi là phương pháp điều khiển véc tơ FOC – Field Oriented Control
Việc thực hiện phương pháp điều khiển này trên thực tế là nền tảng vi xử lý và biến
tần. Vậy trong bài báo cáo này, chỉ đi sâu vào tìm hiểu thuật toán điều khiển FOC, không
đi sâu vào phương pháp phát xung điều khiển.

19


Chương 3. Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC

3.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển vecto động cơ KĐB

Hình 6. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển

3.3. Phương pháp điều khiển
Trong phương pháp điều khiển vector đối với động cơ KĐB 3 pha, để điều khiển
động cơ một cách tối ưu người ta phân tích việc điều khiển động cơ thành điều khiển 2
thành phần, thành phần sinh ra từ thông và thành phần sinh ra mô men tương đương với
việc điều khiển động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập. Trong phương pháp điều khiển
vector người ta chia thành 2 phương pháp điều khiển đó là phương pháp điều khiển véc
tơ trực tiếp và phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp. Dựa vào việc phân tích và

chuyển đổi hệ tọa độ từ tọa độ tĩnh abc sang hệ tọa độ quay dq với cùng gốc tọa độ.
Người ta phân tích những thành phần chính bên phía stator như véc tơ điện áp và véc tơ
dòng điện thành các véc tơ dòng và áp trên hệ tọa độ dq kết hợp với việc chọn trục véc tơ
từ thông rô to trùng với trục d trong hệ tọa độ quay dq như đã phân tích ở chương 2.
 Phương pháp điều khiển vector gián tiếp
20


Chương 3. Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC

Trong phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp, góc lệch của trục từ thông rô to và
trục dây quấn pha A stator là góc  s được tính thông qua tốc độ  đo về từ trục
động cơ và tốc độ trượt r . Công thức liên hệ như sau:

 s    dt   (   r )dt
Vận tốc trượt tính theo phương trình sau:

isq
L
1

m
r 
i =
Tr  rd sq Tr 'rd
Ở chế độ xác lập

 *r  Lmi*sd
Thay vào phương trình trên ta được


i*sq
r  *
Tr i sd
Từ các phương trình toán đã xây dựng ta dựng nên sơ đồ điều khiển véc tơ gián
tiếp cho động cơ KĐB
 Phương pháp điều khiển vector trực tiếp
Phương pháp điều khiển véc tơ trực tiếp động cơ KĐB 3 pha, góc quay

s

được

xác định dựa vào từ thông rô to  r .Từ thông rô to được ước lượng qua điện áp và
dòng điện của động cơ, ngoài ra ta còn có thể ước lượng từ thông rô to thông qua
dòng điện và tốc độ của động cơ. Ta xây dựng đồ thị góc
điều khiển véc tơ trực tiếp.
Từ đồ thị rút ra các phương trình sau:

 r   r cos s

 r    r sin  s

21

s

trong phương pháp


Chương 3. Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC


 r

cos


s

r


sin    r 
s

r

Khi đó biên độ từ thông rô to là:

 r   2r  2r
Từ hình vẽ chỉ ra cos và sin sẽ xác định được góc pha của từ thông rô to. Véc tơ
đơn vị này quay để chỉ hướng dòng

isd theo trục d và dòng isq theo trục q. Phương

pháp tính toán cos và sin từ véc tơ từ thông phản hồi được gọi là phương pháp điều
khiển véc tơ trực tiếp. Tuy nhiên để biết hướng của véc tơ từ thông rô to ta phải biết
biên độ của véc tơ này nhưng việc đo từ thông rô to có nhiều hạn chế.
Do đó ta phải ước lượng từ thông rô to qua các đại lượng có thể đo được như dòng
điện stator và tốc độ quay rô to, sau đây là sơ đồ của hệ điều khiển véc tơ trực tiếp tựa
theo từ thông rô to sử dụng bộ quan sát từ thông.


3.4. Thiết kế các bộ điều khiển
Động cơ KĐB rô to lồng sóc được điều khiển bằng phương pháp điều khiển véc tơ
RFOC được thiết kế bởi hai mạch vòng điều khiển, mạch vòng ngoài cùng là mạch vòng
điều khiển tốc độ, mạch vòng trong cùng là mạch vòng điều khiển dòng điện với 2 mạch
vòng nhỏ, đó là mạch vòng điều khiển dòng điện

isd và mạch vòng điều khiển dòng điện

isq ; tương tự như động cơ một chiều, 2 dòng điện này đóng vai trò là dòng kích từ và
dòng phần ứng. Vòng ngoài cùng là vòng điều khiển tốc độ, mạch vòng này có thời gian
trễ lớn lớn hơn rất nhiều so với 2 mạch vòng phía trong. Cụ thể ra sẽ xét trong mục sau

22


Chương 3. Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC

3.4.1 Cấu trúc điều khiển vector gián tiếp

Như sơ đồ trên ta thấy được hai mạch vòng điều khiển rõ ràng và riêng biệt,
đó là mạch vòng điều khiển tốc độ và mạch vòng điều khiển dòng điện, sử dụng
thuật toán luật điều khiển PI.

3.4.2 Thiết kế bộ bù từ thông
 Mô hình dòng

i sd

disd

1 1
1 '
1
1
 (

)isd  sisq 
 rd 
 'rq 
u
dt
 Ts  Tr
 Tr

 Ls sd
Coi thành phần
thành phần dòng

isq là nhiều. Thành phần từ thông  'rd có tác động đến

i sd . Vì vậy sẽ thiết kế bộ bì từ thông để triệt tiêu ảnh hưởng này.

Mô hình dòng stator

i sd sau khi bù từ thông

23


Chương 3. Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC


Hình 7. Mô hình dòng stator sau khi bù từ thông
 Mô hình dòng i sq

di sq
1 1
1
1
 si sd  (

)i sq 
 'rd 
u
dt
 Ts  Ts

 Ls sq
Coi thành phần

isd là nhiễu. Thành phần từ thông có tác động đến thành phần

dòng isq. Vì vậy thiết kế bộ bù từ thông sẽ triệt tiêu được ảnh hưởng này.
Mô hình dòng

isq sau khi bù từ thông

24