Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------

ĐỖ CHÍ PHI

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG
BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP DTFC
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành : 2.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2004

Trang 1


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS . Phan Quốc Dũng

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …….. tháng ….. năm 2004

Trang 2


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
Tp. HCM, ngày …. tháng 07 năm 2004

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên

:

Đỗ chí phi

Phái

: Nam

Ngày, tháng, năm sinh

:

20 – 12 -1975

Nơi sinh : Bình Thuận


Chuyên ngành

:

Kỹ Thuật Điện

MSHV : KTĐI.13.008

I- TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển động cơ đồng bộ bằng phương pháp DTFC

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
1. Xây dựng mô hình điều khiển động cơ theo phương pháp DTFC .
2. Thiết lập bảng tham chiếu đóng cắt linh kiện bán dẫn .
3. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab .
4. So sánh các đáp ứng mômen ,tốc độ , từ thông với giá trị đặt .
5. Dùng mạng nơron nhân tạo (ANN) thay thế các khâu điều khiển và
các khâu ước tính , thực hiện mô phỏng mô hình .
6. So sánh phương pháp điều khiển ANN với phương pháp điều khiển
truyền thống .

Trang 3


III- NGÀY GIAO NHIỆM VU Ï: Ngày 09 tháng 02 năm 2004
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 09 tháng 07 năm 2004
V-

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Phan Quốc Dũng


CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông
qua.

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Ngày
tháng
năm 2004
KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

Trang 4


Lời cảm ơn !

Tập luận văn này được hoàn thành đúng thời hạn chính là nhờ công
ơn lớn lao của quý thầy cô trong khoa Điện - Điện tử của trường Đại Học
Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời
gian vừa qua .
Tôi xin bày tỏ tình cảm chân thành và lòng biết ơn sâu sắc đến thầy
hướng dẫn TS. Phan Quốc Dũng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và tận tình
hướng dẫn trong suốt quá trình làm luận văn .
Kính chúc quý thầy cô được nhiều sức khỏe và bình an .

Trang 5



TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
LUẬN VĂN BAO GỒM :
Mở đầu :
-

Mục đích và lí do chọn đề tài

-

Nhiệm vụ của đề tài .

-

Lịch sử của đề tài

-

Cơ sở khoa học của đề tài .

Các chương :
-

Chương I

: Mô hình toán học

-

Chương II


: Xây dựng mô hình toán học trên phần mềm mô phỏng
Matlab .

-

Chương III

: Xây dựng hệ thống điều khiển bằng mạng nơron nhân tạo

-

Chương IV

: Kết quả mô phỏng

Kết luận và hướng phát triển của đề tài .

Trang 6


MỤC LỤC

Trang
MỞ ĐẦU ............................................................................................. 7
1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI VÀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI ................... 8

2.


NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI ...................................................................... 9

3.

ÝÙ NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ............................................. 10

4.

CƠ SỞ CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................ 10

5.

LỊCH SỬ CỦA ĐỀ TÀI .................................................................... 11
CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................. 13

1.1

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ ............................................................. 13

1.1.1 . Giới thiệu động cơ đồng bộ rôto nam châm vónh cửu ............ 13
1.1.3. Phép chuyển đổi abc Ỉ αβỈ dq và ngược lại ....................... 15
1.1.4. Mô hình d-q của động cơ đồng bộ . ......................................... 17
1.2

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ........................... 21
ĐỒNG BỘ PM - SM
1.2.1. Điều khiển vô hướng (v/f) với khâu bù góc tải ....................... 21
1.2.2. Điều khiển véc tơ .................................................................... 21
1.2.3. Điều khiển trực tiếp mômen và từ thông . ............................... 22


1.3. BỘ NGHỊCH LƯU VÀ BỘ BIẾN TẦN ............................................. 24
1.3.1. Bộ nghịch lưu áp ...................................................................... 26
1.3.2. Phương pháp điều chế vector không gian ............................... 32
1.3.3. Bảng trạng thái đóng cắt theo vector không giun điện áp . ..... 40

Trang 7


CHƯƠNG II XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

Trang

TRÊN PHẦN MỀM MATLAB ............................................................ 44
2.1. MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ .......................................................................... 44
2.4 . XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHỐI NGHỊCH LƯU . ................................. 45
2.3 . MÔ HÌNH BẢNG ĐÓNG CẮT .......................................................... 48
2.2.

MÔ HÌNH ƯỚC TÍNH MÔMEN VÀ TỪ THÔNG ............................. 49

2.5 . XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHÂU SO SÁNH TRỂ . ............................... 50
2.6 . MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ................................................... 51
CHƯƠNG III :MẠNG NƠRON NHÂN TẠO ...................................... 52
3.1. TỔNG QUÁT ....................................................................................... 52
3.2. THUẬT TOÁN HUẤN LUYỆN KHÂU ƯỚC ..................................... 52
TÍNH TỪ THÔNG BẰNG MẠNG NƠRON .
3.3. THUẬT TOÁN HUẤN LUYỆN KHÂU ƯỚC ..................................... 55
TÍNH MÔMEN BẰNG MẠNG NƠRON .
3.4. HUẤN LUYÊN BẢNG ĐÓNG CẮT BẰNG MẠNG NƠ RON ........... 57

3.5. THUẬT TOÁN HUẤN LUYỆN KHÂU SO SÁNH TRỂ .................... 58
BẰNG MẠNG NƠ RON .
3.5.1 Khâu so sánh trể ba bậc ............................................................... 58
3.5.2 . Khâu so sánh trể hai bậc ............................................................. 60
CHƯƠNG IV : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.............................................. 64
4.1. ĐÁP ỨNG TỐC ĐỘ , MÔMEN , TỪ THÔNG , DÒNG ĐIỆN ,........... 64
ĐIỆN ÁP THEO PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG .
4.2. ĐÁP ỨNG TỐC ĐỘ , MÔMEN , TỪ THÔNG DÒNG ĐIỆN , ............ 71
ĐIỆN ÁP KHI BẢNG ĐÓNG CẮT HUẤN LUYỆN ANN

Trang 8


Trang
4.3. ĐÁP ỨNG TỐC ĐỘ , MÔMEN , TỪ THÔNG KHI ........................ 74
THAY THẾ KHÂU ƯỚC TÍNH TỪ THÔNG, BẰNG ANN.
4.4. ĐÁP ỨNG TỐC ĐỘ , MÔMEN , TỪ THÔNG KHI ........................ 77
THAY THẾ CÁC KHÂU ƯỚC TÍNH BẰNG ANN.
4.5. ĐÁP ỨNG TỐC ĐỘ , MÔMEN , TỪ THÔNG KHI ....................... 80
MÔMEN TẢI THAY ĐỔI .
KẾT LUẬN ....................................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 85
PHỤ LỤC 1 ...................................................................................... 87
PHỤ LỤC 2 ....................................................................................... 90
PHUÏ LUÏC 3 ....................................................................................... 93
PHUÏ LUÏC 4 ....................................................................................... 95
PHUÏ LUÏC 5 ....................................................................................... 97
PHUÏ LUÏC 6 ....................................................................................... 99

Trang 9



MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI VÀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Các động cơ điện xoay chiều thường dùng nhiều trong sản xuất là động cơ
không đồng bộ , vì động cơ này có các đặc điểm như cấu tạo đơn giản giá thành
hạ , làm việc chắc chắn và bảo quản dể dàng .
Tuy nhiên , trong thời gian gần đây , động cơ điện đồng bộ được sử dụng
nhiều vì có những ưu điểm nhất định và có thể so sánh với độâng cơ không đồng
bộ trong lónh vực truyền động điện .
Về ưu điểm , trước hết phải nói đến ưu điểm của động cơ điện đồng bộ do
được kích từ bằng nguồn điện một chiều nên có thể làm việc với cos Φ =1 và
không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện và kết quả là hệ số công suất
của lưới điện được năng cao , làm giảm điện áp rơi và tổn hao công suất trên
đường dây.
Ngoài ưu điểm đó động cơ điện đồng bộ còn ít chịu ảnh hưởng đối với sự
thay đổi điện áp do mômem của động cơ đồng bộ tỉ lệ với điện áp U , trong khi
đó động cơ không đồng bộ có mômem tỉ lệ với U2 . Vì vậy khi điện áp lưới sụt
thấp , khã năng giữ tải của động cơ điện đồng bộ lớn hơn . Cũng phải nói thêm
rằng , hiệu suất của động cơ điện đồng bộ thường cao hơn động cơ không đồng bộ
.
Có nhiều phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ cũng như động cơ
không đồng bộ .Tuy nhiên , vấn đề cần đặt ra là điều khiển động cơ sao cho
trong các truyền động đạt được đặt tính xác lập và quá độ ( đặt tính động ) thích
hợp với các hệ truyền động khác nhau . Có các phương pháp điều khiển sau :
-

Điều khiển vô hướng ( v/f )

Trang 10



-

Điều khiển véc tơ ( dòng hoặc dòng và áp )

-

Điều khiển trực tiếp momem và từ thông ( DTFC )
Việc điều khiển trực tiếp momen và từ thông đưa về việc giải quyết bài

toán thiết lập bảng quy luật đóng cắt khóa bán dẫn của bộ ngịch lưu áp PWM

(

trình tự véc tơ không gian điện áp ) . Hiện nay phương pháp điều khiển này được
nhiều tác giả nghiên cứu và nói đến nhiều trong tạp chí IEEE TRANSACTION
ON INDUCTRIAL ELECTRONICS .
Việc điều khiển theo phương pháp này rất thích hợp cho các hệ truyền
động có đặc tính động cao , yêu cầu đáp ứng nhanh dựa trên cơ sở đánh giá sai số
giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng của mô mem và từ thông .
Từ việc phân tích trên , tôi mạnh dạng chọn đề tài : “điều khiển động cơ
đồng bộ bằng phương pháp DTFC (Direct Torque and Flux Control )”
Việc điều khiển theo phương pháp này rất thích hợp cho các hệ truyền
động có đặc tính động cao , yêu cầu đáp ứng nhanh dựa trên cơ sở đánh giá sai số
giữa giá trị dặt và giá trị ước lượng của mô men và từ thông .
2. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

2.1. Đối tượng điều khiển .
Đề tài này , đặt vấn đề điều khiển động cơ đồng bộ rôto nam châm vónh

cửu PM - SM ( Permanent Magnet - Synchronous Motor ) .
2.2. Đối tượng ngiên cứu .
- Đáp ứng tốc độ
- Đáp ứng mô men
- Đáp ứng từ thông
- Đáp ứng dòng điện và điện áp

Trang 11


3. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Thông qua việc nghiên cứu , xây dựng mô hình hệ thống điều khiển , mô
phỏng hoạt động của động cơ .
Khảo sát các đáp ứng momen , tóc độ , từ thông , dòng và áp để có sự
điều chỉnh hợp lý trong quá trình điều khiển .
Từ việc thiết lập bảng đóng cắt khóa bán dẫn cho bộ nghịch lưu áp theo
trình tự véc tơ không gian điện áp . Ta có thể viết chương trình điều khiển một
mô hình thật bằng DSP theo trình tự của véc tơ không gian điện áp .
4. LỊCH SỬ CỦA ĐỀ TÀI
Điều khiển động cơ bằng DTFC có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp
khác là do từ thông và mô men được ước tính trực tiếp và so sánh với giá trị đặt
để xuất tín hiệu điều khiển bảng đóng cắt . Nên đáp ứng nhanh hơn và ổn định
hơn . Do đó đề tài này được các tác giả nói nhiều trong các tạp chí .
Theo L.Zhong , M.F.Rahman , Senior Member,IEEE.W.Y.Hu , and
K,W.Lim, Senior Member,IEEE . với đề tài “Analysis of Direct Torque Control
in Permanent

Magnet Synchronous Motor Drives “ trong taïp chí IEEE

Transactions On Power Electronics .Vol.12.No .3.May 1997 . Việc điều khiển

theo phương pháp này đáp ứng tốc độ và mô men tương đối tốt . Đặc biệt là
những động cơ có tốc độ cao . Đồng thời từ phương pháp điềi khiển này việc sử
dụng DSP viết chương trình điều khiển cho động cơ cũng dễ dàng hơn . Tuy
nhiên trong đề tài trên việc điều khiển theo phương pháp DTC là phương pháp
truyền thống , dùng cảm biến vị trí để tính tốc độ .
Theo Lixin Tang and M. F. Rahman

với đề tài “A Novel Direct

Torque Control for Interior Permanent Magnet Synchronous Machine
Drive System with Low Ripple in Torque and Flux-A Speed Sensorless

Trang 12


Approach “ theo

37th

Annual IAS Meeting October 13th – 17th 2002

Pittsburgh , PA cho ta thấy được đáp ứng tốc độ và mô men so với tốc độ và
mô men đặt là tương đối tốt. Tuy nhiên độ vọt lố và dao động vẫn còn cao . (
Phụ lục 6 ) .
Theo Julius Luukko , markku Niemelä , and Juha Pyrhönen với đề tài “
Estimation of the Flux Linkage in a Direct – Torque _ Control Drive “trong tạp
chí IEEE Transactions On Power Electronics .Vol.50.No .2.April 2003 . đã đưa ra
phương pháp ước tính từ thông trong điều khiển động cơ đồng bộ bằng phương
pháp DTC . Đề tài trên chỉ là một phần trong đề tài nghiên cứu .


5 . CƠ SỞ CỦA ĐỀ TÀI
Từ những tác giả đã nghiên cứu ở trên , với đề tài :
“Điều khiển động cơ đồng bộ bằng phương pháp DTFC (Direct Torque and
Flux Control )” . Được xây dựng theo phương pháp điều khiển truyền thống và
hiện đại .
Trong phương pháp điều khiển truyền thống , mô hình được xây dựng dựa
trên mô hình toán học của động cơ đồng bộ . Bảng đóng cắt tối ưu là việc chọn
véc tơ không gian điện áp dựa trên cơ sở của véc tơ từ thông stato . Các khâu
ước tính từ thông và mô men dựa trên các công thức toán học , khâu ước tính tốc
độ dựa vào phương trình động học (Không dùng cảm biến vị trí để đo tốc độ ) .
Từ mô hình truyền thống , ta cải tiến mô hình theo phương pháp điều
khiển hiện đại bằng việc đưa mạng Neural nhân tạo (ANN : Artificial Neural
Network)

bằng cách huấn luyện bảng đóng cắt , các khâu ước tính từ thông ,

mômen và các khâu tạo trể . Thay thế toàn bộ các khâu :
-

Ước tính mômen .

Trang 13


-

Ước tính từ thông

-


Bảng đóng cắt

-

Khâu tạo trể hai bậc , ba bậc

được thiết lập theo phương pháp cổ điện bằng Neural .
Mô phỏng mô hình bằng phần mềm Matlab , so sánh các đáp ứng từ thông
, mômen , tốc độ theo giá trị đặt .
Trong quá trình nghiên cứu , việc điều khiển động cơ đồng bộ PM – SM
theo phương pháp DTFC sử dụng mạng ANN cho các khâu trên chưa có tác giả
đề cập đến .

Trang 14


CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
1.1.1 . Giới thiệu động cơ đồng bộ rôto nam châm vónh cửu .
Động cơ đồng bộ được cấp nguồn ba pha xoay chiều cho Stator và rô to
được kích từ bằng nam châm vónh cửu . Các pha Stator tạo ra lực từ động quay
với vận tốc điện ω1 .
(1.1)

ω1 = 2πf1

Ngược lại lực từ động của rôto đứng yên so với rô to . Vận tốc góc của rôto là
ω r = ω1 = 2πnp / 60


(1.2)

nhằm đạt được hai giản đồ lực từ động đứng yên so với nhau . Và chúng ta cũng
biết rằng chỉ trong trường hợp này mới sản sinh ra mômen trung bình khác không
cho một vòng quay .
Một cách giải thích khác là mômen trung bình khác không được sản sinh
khi năng lượng từ trong máy điện Wco thay đổi the vị trí của rôto .
Me =

∂Wco
∂θ r

;
i i = ct

∂θ ω r
=
dt
p

(1.3)

với θr – là góc vị trí hình học của rôto .
Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vónh cửu (PM – SM ) thường sử dụng cho
các động cơ công suất nhỏ hoặc trung bình (thường 50 – 100 Kw trở xuống ) .
Rôto của động cơ đồng bộ được phân loại theo cực lồi và cực ẩn .
Do tốc độ động cơ đồng bộ liên quan chặc chẽ với tần số nguồn cung cấp cho
Stator nên để điều khiển động cơ đồng bộ ta dùng biến tần . Ưu điểm các hệ
truyền động động cơ đồng bộ là hiệu suất cao , mật độ năng lượng và công suất
cao so với động cơ không đồng bộ


Trang 15

.


q

d

Stator
b
S
NN
S

a)

S

N

S

Sắt

N

N


Nam châm
vónh cửu

S

a

S
S

d

θr=θer /p
S

N
N

q

N

N

Khoảng không
phi từ tính

c

S


S
b)

N

Hình 1 .1 : Động cơ đồng bộ rôto nam châm vónh cửu
a) Rôto cực lồi 2p = 6

b) Rôto cực ẩn 2p =4

1.1.2. Mô hình tọa độ pha của động cơ đồng bộ .
Ma trận điện cảm [L] có dạng :

[L]PM

⎡L s
⎢L
ab
=⎢
⎢L s
⎢
⎣L af (θ er )

L ab

L ab

L af (θ er ) ⎤
Ls

L ab
L bf (θ er )⎥⎥
L ab
Ls
L cf (θ er )⎥
⎥
L bf (θ er ) L cf (θ er ) 0
⎦

(1.4)

L0
2π
+ L 2 cos(2θ er − )
2
3

(1.5)

Trong đó :
L ab = −

L af = L sf cos θ er ; L bf = L sf cos(θ er −

2π
2π
); L bf = L sf cos(θ er + )
3
3


(1.6)

Phương trình ma trận điện áp – dòng điện trong hệ trục tọa độ pha ( hệ tọa độ
stator cho stator , hệ tọa độ rôto cho rôto ) như sau :

[V] = [r ][. i] + d[φ]

(1.7)

[φ] = [L(θ er )][. i]

(1.8)

dt

Trang 16


[i] = [i a , i b , i c , i fo ]

(1.9)

[r ] = Diag[rs , rs , rs ,0]

(1.10)

[φ] = [φ a , φ b , φ c ,0]

(1.11)


Mômen điện từ có thể được tính theo công thức sau :
M đt =

dWco
d i
T
=
∫ [φ]d[i]
d(θ er ) d(θ er ) 0

(1.12)

Các phương trình động học là :
d(θ er )
J dω
= ωr
= M đt − M t ;
p dt
dt

(1.13)

Nếu bỏ qua bão hòa từ ta nhân (3.7) với [i]T :

[V][. i]T = [r][. i][i]T +

d(θ )
d 1
1
∂

[L(θ er )][. i]. er
( [L][
. i][
. i]T ) + [i]T .
dt 2
2
∂(θ er )
dt

(1.14)

Thành phần cuối là công suất điện từ Pđt .
M ñt =

Pñt .p p T
∂
[L(θ er )][. i]
= [i] .
ωr
2
∂(θ er )

(1.15)

1.1.3. Phép chuyển đổi abc Ỉ αβỈ dq và ngược lại .

Pha a

α


Trục a
d

N

β
S

Pha b
Trục b

N

d

N
θ

S

Trục c

S

q

Pha c

q


Hình 1.2 . Mô hình chuyển trục toạ độ từ abc Æ αβÆdq

Trang 17


1. phép chuyển trục abcỈαβ và ngược lại .

Triển khai véc tơ dòng :

[

]

[

i ss = i as cos( 0 0 ) + j sin( 0 0 ) + i bs cos(120 0 ) + j sin(120 0 )

[

+ i cs cos( 240 0 ) + j sin( 240 0 )
= i as −

]

]
(1.16)

⎛ 3
⎞
1

1
3
i bs − i cs + j⎜⎜
i bs −
i cs ⎟⎟ = i sαs + ji βs s
2
2
2
⎝ 2
⎠

1
1 ⎤ ⎡i as ⎤
⎡
⎡i sαs ⎤ ⎢1 − 2 − 2 ⎥ ⎢ ⎥
⎥ ⎢i bs ⎥
Nhö vaäy : ⎢ ⎥ = ⎢
3
3 ⎥⎢ ⎥
⎢⎣i sαs ⎥⎦ ⎢0
−
i
⎢⎣
2
2 ⎥⎦ ⎢⎣ cs ⎥⎦

(1.17)

Do


(1.18)

ias +ibs +ics = 0

Neân ta được ma trận chuyển đổi abcỈ αβ như sau :

1
1 ⎤
⎡
1 −
− ⎥
⎢
2
2 ⎡i ⎤
⎡i sαs ⎤ ⎢
⎥ as
⎢ s ⎥ ⎢
3
3 ⎥⎢ ⎥
−
⎢i ⎥
⎢ i αs ⎥ = ⎢ 0
2
2 ⎥ ⎢ bs ⎥
⎢ ⎥ ⎢
⎥
⎢⎣0 ⎥⎦ ⎢1
1
1 ⎥ ⎢⎣i cs ⎥⎦
⎥

⎢
⎦
⎣

(1.19)

Và khi đó phép biến đổi ngược như sau :
⎡2
0
⎢
⎡i as ⎤ ⎢ 3
⎢ ⎥ ⎢ 1
1
⎢i bs ⎥ = ⎢−
3
⎢ ⎥ ⎢ 3
⎢⎣i cs ⎥⎦ ⎢ 1
1
−
⎢−
3
⎣ 3

1 ⎤
⎥
3 ⎥ ⎡i sαs ⎤
1 ⎥⎢ s ⎥
⎢ i αs ⎥
3 ⎥⎥ ⎢ ⎥
0

1 ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦
⎥
3⎦

(1.20)

Trang 18


⎡ 2
0
⎢
⎡i as ⎤ ⎢ 3
⎢ ⎥ ⎢ 1
1
⎢i bs ⎥ = ⎢−
3
⎢ ⎥ ⎢ 3
⎢⎣i cs ⎥⎦ ⎢ 1
1
−
⎢−
3
⎣ 3

⎤
⎥
⎥ s
⎥ ⎡ i αs ⎤
⎥⎢ s ⎥

⎥ ⎢⎣i αs ⎥⎦
⎥
⎥
⎦

(1.21)

2. Phép chuyển đổi trục αβỈdq và ngược lại
Mối quan hệ giữa véc tơ điện áp trong hệ tọa độ αβ và dq

Trong đó :

v ss = v se e jθ

(1.22)

v se = v ss e − jθ

(1.23)

θ = ωs t

(1.24)

Phân tích phương trình (3.22)
v eds + jv eqs = (v sαs + jv βs s )[cos( −ω s t ) + j sin( −ω s t )]
= v sαs cos( ω s t ) + v βs s sin( ω s t ) + j[− v sαs sin(ω s t ) + v βs s cos( ω s t )]

(1.25)


Chuyển trục αβỈdq
⎡ v eds ⎤ ⎡ cos( ω s t )
⎢ e ⎥=⎢
⎢⎣ v qs ⎥⎦ ⎣ − sin( ω s t )

s
sin(ω s t ) ⎤ ⎡ v αs ⎤
⎢
⎥
cos( ω s t )⎥⎦ ⎢ v βs s ⎥
⎣
⎦

(1.26)

e
− sin(ω s t )⎤ ⎡ v ds ⎤
⎢ ⎥
cos( ω s t ) ⎥⎦ ⎢ v eqs ⎥
⎣ ⎦

(1.27)

Chuyeån trục dqỈαβ
⎡ v sαs ⎤ ⎡ cos( ω s t )
⎢ s ⎥=⎢
⎢⎣ v βs ⎥⎦ ⎣sin(ω s t )

1.1.4. Mô hình d-q của động cơ đồng bộ .


Định nghóa véc tơ không gian dòng stator trong hệ tọa độ stator :
i ss =

2
(i a + ai b + a 2 i c )
3

Định nghóa véc tơ không gian từ thông stator trong hệ tọa độ stator :

Trang 19

(1.28)


φ ss =

2
(φ a + aφ b + a 2 φ c )
3

(1.29)

Véc tơ không gian từ thông và dòng stator trong hệ tọa độ rôto :
φ s = φ ss e − jθer

; i s = i ss e − jθer

(1.30)

Các phương trình stator trong hệ tọa độ stator :

dφ a
dt
dφ
rs i b − v b = − b
dt
dφ
rs i c − v c = − c
dt

rs i a − v a = −

(1.31)

Chuyển sang vectơ không gian , ta coù :
s

rs i ss

− v ss

=−

dφ s
dt

=−

dφ s
d
(φ s e jθer ) = −e jθer

− jω r φ s e jθer
dt
dt

(1.32)

Nhân hai vế (3.31) cho e − jθer ta có :
rs i s − v s = −

và Vo = rs i o + L sl

dφs
dθ
− jω r φ s ; ω r = er
dt
dt

di o
;
dt

i o = (i a + i b + i c ) / 3

(1.33)

(1.34)

Trieån khai thành phần d-q của phương trình stator (3.32) và (3.33)
Vd = rs i d +
Vq = rs i q +

V0 = rs i o +

dφ d
− ωr φ q
dt
dφ q
dt

+ ωr φ d

dφ o
dt

Các phương trình từ thông :

Trang 20

(1.35)
(1.36)
(1.37)


0 = r' kd i' kd +
0 = r' kq i' kq +

dφ' kd
dt
dφ' kq
dt


(1.38)
(1.39)

φ = L d i d + L mq i ' kq

(1.40)

φ d = L d i d + L md i' kd + L md i' m

(1.41)

φ' kd = L md i d + L' kd i' kd + L md i' m

(1.42)

φ' kq = L mq i q + L' kq i' kq

(1.43)

φ 0 = L ls i 0

(1.44)

Trang 21


rs

id


ωφd

Lls

L’kq

r’kq

+ -

i’kq

+
Vq

Lmq

Trục q
rs

id

ωψsd

Lls

L’kd

rkd


- +

+
Vd

ikd

Lmd
Lrc

Trục d

r0s

i0s

i’m

Lls

+

V0s
-

Thành phần thứ tự không

Hình 1.3 : Sơ đồ tương của động
cơ đồng bộ nam châm vónh cửu
trong hệ tọa độ dq và thành phần

thứ tự không

Phương trình momen :
M=

[

]

3
3
p φ PM i q + (L d − L q )i d i q = p(φ d i q −φ q i d )
2
2

Trang 22

(1.45)


1.2 . CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ PM - SM
1.2.1. Điều khiển vô hướng (v/f) với khâu bù góc tải .
Đây là phương pháp điều khiển vô hướng , không dùng cảm biến
- Vd +

Tần số
đặt

f*


V*

V*

PWM

Ngịch
lưu áp

f*

Δf *

ΔF*/M
Δ

Khâu
ươc
tính độ
tăng
góc
tải( Δ θ)

iA
VA
ib
Vb

z
z


PM _SM

Hình 1.4 : Điều khiển V/f cho PM-SM với khâu bù góc tải
Độ gia tăng góc tải Δ θ được ước tính và tần số đặt sẽ được tăng lên giá trị Δ f*
để bù sự biến thiên mô men và giữ cho dòng động cơ đồng bộ với rô to trong khi
quá độ . phương pháp điều khiển vô hướng chỉ thích hợp với các ứng dụng có yêu
cầu đặc tính động không cao với ưu điểm về tính đơn giản của hệ điều khiển .

1.2.2. Điều khiển véc tơ
Đối với các ứng dụng yêu cầu có đặt tính động cao ( đáp ứng nhanh )
thường sử dụng phương pháp điều khiển véc tơ. Trong phương pháp điều khiển
này vị trí và vận tốc của rô to được đo bằng cảm biến hoặc ước tính ( đối với các
hệ truyền động không cảm biến ) và sử dụng làm tính hiệu hồi tiếp tốc ñoä ( ω r)

Trang 23


và góc quay véc tơ ( θ er ) để tạo các giá trị đặt của dòng các pha stato ia* , ib* ,
ic* .
Hệ thống điều khiển véc tơ phức tạp hơn nhiều so với điều khiển V/f , tuy
nhiên cho phép đạt được đáp ứng động cao hơn nhiều ( điều khiển nhanh mô
men ) .
ωr* Khâu hiệu
chỉnh vận tốc
iq*
R

ω


ωr

id*

Vdc

e

jθer

ia*
ib*
ic*

Mạch
tạo
xung

Ngịch lưu
PWM

PM - SM

ia

θer
Khâu ước tính
vị trí + tốc độ

ib

ia
va
vb
ia

2

Đo hoặc
Ước tính

1
Đo hoặc
Ước tính

1/s

P

2
1

Hình 1.5 : Điều khiển véc tơ động cơ PM – SM
1.Với cảm biến vị trí

2. không cảm biến

1.2.3.Điều khiển trực tiếp mômen và từ thông .
Để đơn giản hoá việc điều khiển động cơ , phương pháp điều khiển trực
tiếp mô men và từ thông ( DTFC ) cho động cơ không đồng bộ được mở rộng ứng
dụng cho động cơ đồng bộ PM –SM và được gọi là điều khiển véc tơ

( TVC – Torque Vecto control )

Trang 24

moâmen


ωr *
Vận tốc đặt

Vdc
[1 ; -1]

Bảng
đóng
cắt
V(i). T

Rω
ωr
Φs*

)
M

[1; 0 ; -1]

)
φs


Ngịch
lưu
PWM

PM-SM

ia
va

ib
vb

Khâu quan sát từ
θΦS
Thông , mô men
vàtốc độ

)
ωr

1/s

P

Hình 1.6 : Điều khiển trực tiếp mô men và từ thông
Bảng đóng cắt tối ưu được thiết lập dựa trên nguyên lý về sự thay đổi véc tơ
không gian từ thông stato theo hướng của véc tơ điện áp sử dụng :
→

→


→

φs ≈ φ so + v (i).T

(1.46)

Như thế để tăng mômen ta phải tạo véc tơ từ thông vượt trước theo hướng
chuyển động . Để tăng từ thông , góc giữa véc tơ V(i) và véc tơ φ so phải lớn hơn
900 , véc tơ điện áp phù hợp được lựa chọn dựa tren vị trí của véc tơ φ so ở trong
góc 600 mà xác định θi .
Khâu quan sát từ thông và nô men có thể thực hiện trên mô hình dòng và áp .

Trang 25