TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu bộ điều khiển dịng điện deadbeat
trích mẫu cao cho hệ thống điều khiển động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu

TRẦN QUANG HUY
Ngành Kĩ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn:

PGS.TS. Trần Trọng Minh

Viện:

Điện

HÀ NỘI, 2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu bộ điều khiển dịng điện deadbeat
trích mẫu cao cho hệ thống điều khiển động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu

TRẦN QUANG HUY
Ngành Kĩ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn:

PGS.TS. Trần Trọng Minh

Viện:

Điện

HÀ NỘI, 2020

Chữ ký của GVHD


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Trần Quang Huy
Đề tài luận văn: Nghiên cứu bộ điều khiển dịng điện deadbeat trích
mẫu cao cho hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Chuyên ngành: Ngành Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Mã số SV: CA180214
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 30/10/2020 với các nội dung sau:
+ Sửa lại các hình vẽ cịn chưa chuẩn trong chương 2.
+ Trình bày lại một số hình vẽ trong chương 3
+ Định dạng lại văn bản, cơng thức, bảng biểu chuẩn theo mẫu.
+ Sốt lại các lỗi chính tả.

Ngày
Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS. Trần Trọng Minh

tháng
năm 2020
Tác giả luận văn

Trần Quang Huy

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên,em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình tới các thầy
PGS.TS. Trần Trọng Minh, thầy Lê Nam Dương đã ln tận tình hướng dẫn và
giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn. Xin cảm ơn các bạn sinh viên đã
đồng hành cùng để em hoàn thành luận văn này.
Em cũng xin được trân trọng cảm ơn tới Ban giám hiệu, Viện đào tạo sau
đại học và các thầy cô trong viện Điện. Đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến
thức chuyên môn và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và
nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội để em có thể hồn thành luận
văn này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày


tháng

năm 2020

Tác giả

Trần Quang Huy


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. v
DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ............................... vi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TỰA TỪ
THÔNG ROTOR CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU 1
1.1 Khái quát cấu trúc của hệ truyền động điện động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu tựa từ thông rotor ............................................................................................. 1
1.2 Cấu trúc phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor – FOC .......................... 2
1.3 Vai trò của bộ điều khiển dòng Stator ............................................................. 3
1.4 Các phương pháp điều khiển bộ điều khiển dòng stator ................................. 3
Các phương pháp điều khiển tuyến tính ........................................................ 3
Các phương pháp điều khiển phi tuyến ......................................................... 4
1.5 Điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu 3 pha ...................................... 4
Khái niệm vector không gian ........................................................................ 5
Phương pháp điều chế vector không gian ..................................................... 6
1.6 Xây dựng mơ hình liên tục ĐCĐB-KTVC ..................................................... 11
1.7 Kết luận .......................................................................................................... 13

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG STATOR THEO
NGUYÊN LÝ OVERSAMPLING – DEADBEAT ......................................... 14
2.1 Thiết kế bộ điều khiển dự báo MPC............................................................... 14
2.2 Thiết kế khâu quan sát nhiễu loạn cho bộ điều khiển dự báo ........................ 17
2.2.1 Vấn đề với sai lệch mơ hình ........................................................................ 17
2.2.2 Các phương pháp trích mẫu tín hiệu truyền thống ...................................... 20
2.3 Khái quát bộ điều khiển Oversampling – Deadbeat ....................................... 22
2.4 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ ......................................................................... 27
2.5 Kết Luận ......................................................................................................... 29
CHƯƠNG 3. MƠ PHỎNG KIỂM CHỨNG.................................................... 30
3.1 Mơ hình tốn học động cơ .............................................................................. 30
3.2 Mơ phỏng mạch vịng kín dịng điện với mơ hình tốn học động cơ............. 31
i


3.2.1 Thơng số mơ hình chính xác ....................................................................... 31
Sai lệch thơng số mơ hình ........................................................................... 33
Nhận xét và đánh giá kết quả ...................................................................... 34
3.3 Mơ phỏng với mơ hình vật lý động cơ và mạch lực ...................................... 34
Mô phỏng với thơng số mơ hình chính xác................................................. 36
Mơ phỏng với sai lệch thơng số mơ hình kèm khâu quan sát nhiễu loạn ... 37
Nhận xét và đánh giá kết quả mô phỏng ..................................................... 38
3.4 Mô phỏng đánh giá phương pháp mới oversampling .................................... 38
So sánh trong trường hợp khơng có sai lệch mơ hình ................................. 41
So sánh trường hợp sai lệch mơ hình .......................................................... 41
Nhận xét và đánh giá kết quả ...................................................................... 42
3.5 Mơ phỏng với mạch vịng ngồi tốc độ ......................................................... 44
3.6 Hướng phát triển của đồ án trong tương lai ................................................... 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................51



DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Cấu trúc tựa từ thông rotor FOC trên hệ tọa độ 𝒅𝒒 cho động cơ đồng
bộ.. .......................................................................................................................... 2
Hình 1. 2 Sơ đồ mạch nghịch lưu ni động cơ .................................................... 4
Hình 1. 3 Quỹ đạo vector khơng gian trên mặt phẳng tọa độ ................................ 6
Hình 1. 4 Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh 𝜶𝜷 ............................................. 7
Hình 1. 5 Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời 𝒖𝒔𝒂 , 𝒖𝒔𝒃 , 𝒖𝒔𝒄 .............. 8
Hình 1.6 Nguyên tắc điều chế vector điện áp ....................................................... 9
Hình 1.7 Mẫu xung chuẩn trong Sector 1 ............................................................ 10
Hình 2.0: Sơ đồ mạch vịng dịng điện ................................................................. 17
Hình 2.1 Đáp ứng hệ thống khi xuất hiện sai lệch mơ hình ................................. 18
Hình 2.2 Sơ đồ mạch vịng dịng điện khi có khâu quan sát nhiễu loạn .............. 19
Hình 2.3 Đáp ứng hệ thống khi có bộ quan sát nhiễu loạn .................................. 20
Hình 2.4 Trích mẫu single edge .......................................................................... 20
Hình 2.5 Trích mẫu single edge với BĐK deadbeat ............................................ 21
Hình 2.6 Trích mẫu double edge .......................................................................... 21
Hình 2.7 Dạng điện áp và dòng điện qua khâu PWM.......................................... 23
Hình 2.8 Sóng mang và chu kỳ mẫu cho oversampling....................................... 24
Hình 2.9 Sơ đồ mạch vịng kín dịng điện theo oversampling ............................. 27
Hình 2.10 Cấu trúc FOC với mạch vịng ngồi điều khiển tốc độ ....................... 27
Hình 2.11 Cấu trúc mạch vịng điều khiển tốc độ ................................................ 28
Hình 3.1 Mơ hình liên tục động cơ được xây dựng trên Matlab/Simulink .......... 30
Hình 3.2 Mơ hình mạch vịng dịng điện trên Simulink....................................... 31
Hình 3.3 Bộ điều khiển dịng được xây dựng trên Simulink ............................... 31
Hình 3.4 Mơ hình động cơ ................................................................................... 32
Hình 3.5 Đáp ứng dịng 𝑖𝑞 với thơng số mơ hình chính xác ................................. 32
Hình 3.6 Đáp ứng 𝑖𝑠𝑞 với sai lệch thơng số mơ hình ........................................... 33
Hình 3.7 Đáp ứng 𝑖𝑠𝑞 với sai lệch mơ hình có quan sát nhiễu ............................. 33
Hình 3.8 Cấu trúc FOC được xây dựng trên Matlab ............................................ 34

Hình 3.9 Khối chuyển hệ tọa độ dq/αβ ................................................................ 35
Hình 3.10 Điều chế vector khơng gian SVM ....................................................... 35
Hình 3.11 Mạch nghịch lưu và nguồn 1 chiều nuôi động cơ ............................... 35


Hình 3.12 Đáp ứng dịng isq trong cấu trúc FOC .................................................36
Hình 3.13 Dịng 3 pha chảy trên động cơ ............................................................. 36
Hình 3.14 Tín hiệu SVM-Điện áp dây Uab .......................................................... 37
Hình 3.15 Đáp ứng dòng 𝑖𝑠𝑞 − 𝑖𝑠𝑑 với sai lệch mơ hình .....................................37
Hình 3.16 Đáp ứng dịng 𝑖𝑠𝑞 − 𝑖𝑠𝑑 với khâu quan sát nhiễu ................................ 38
Hình 3.17 Tính tốn Ts(i) ..................................................................................... 39
Hình 3.18 kết quả mơ phỏng giá trị i và Ts(i)....................................................... 39
Hình 3.19 Bộ điều khiển dịng cập nhật theo Tsi..................................................40
Hình 3.20 So sánh hai phương pháp trong trường hợp mơ hình chính xác ..........41
Hình 3.21 So sánh hai phương pháp trong trường hợp sai lệch mơ hình .............41
Hình 3.22 So sánh hệ số điều chế trong 2 trường hợp ..........................................42
Hình 3.23 SVM khi có bộ lọc và khơng có bộ lọc................................................44
Hình 3.24 Đáp ứng tốc độ và giá trị đặt................................................................ 45
Hình 3.25 Kết quả phóng to ở chế độ xác lập ....................................................... 45
Hình 3.26 Đáp ứng dịng 𝑖𝑠𝑞 .................................................................................46
Hình 3.27 Phóng to đáp ứng dịng 𝑖𝑠𝑞 ...................................................................46
Hình 3.28 Đáp ứng dịng 𝑖𝑠𝑑 .................................................................................47
Hình 3.29 Dịng 3 pha trên động cơ ......................................................................47
Hình 3.30 Điện áp đầu ra bộ điều khiển ............................................................... 48
Hình 3.31 Tín hiệu SVM ...................................................................................... 48
Hình 3.32 Tín hiệu SVM (phóng to).....................................................................49


DANH MỤC BẢNG BIỂU


Bảng 1. 1: Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn ................................................... 7
Bảng 1. 2: Bảng tổng hợp ma trận trong mỗi sector .............................................. 9
Bảng 1. 3: Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1 ............................... 10
Bảng 1. 4: Hệ số điều chế cho nhóm van của mạch nghịch lưu .......................... 11


DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
ĐCMC-KTĐL

Động cơ một chiều kích từ độc lập

FOC

Điều khiển tựa từ thơng rotor

ĐCĐB-KTVC

Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

TTHXC

Tuyến tính hóa chính xác


MỞ ĐẦU
Trong thời đại nền công nghiệp hiện nay, động cơ đồng bộ được sử dụng nhiều trong
lĩnh vực điều khiển và trong cơng nghiệp vì nó có những đặc điểm vượt trội như hiệu
suất, cos cao, tốc độ ít phụ thuộc vào điện áp. Tuy nhiên việc điều khiển động cơ đồng
bộ cịn phức tạp do tính phi tuyến mạnh, do vậy làm cho việc ứng dụng động
cơ đồng bộ vào thực tế khó khăn. Các hệ thống truyền động điện đang sử dụng rất nhiều

hệ truyền động động cơ đồng bộ và một trong số đó là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu. Những hệ thống truyền động điện này yêu cầu về điều khiển cần một cách nhanh
chóng và chính xác. Một trong những ngun lý được sử dụng rộng rãi trong hệ truyền
động này là ngun lý tựa từ thơng rotor. Vịng điều khiển quan trọng nhất theo nguyên
lý này là mạch vòng dòng điện. Để cho một đáp ứng nhanh chóng và chính xác, người
ta thường sử dụng bộ điều khiển deadbeat. Tuy nhiên bộ điều khiển này có một nhược
điểm đó là phụ thuộc rất nhiều vào tham số mơ hình động cơ cũng như cấu trúc phần
cứng. Vì thế, để nghiên cứu vấn đề này em được thầy PGS. TS. Trần Trọng Minh giao
cho nghiên cứu đề tài: “NGHIÊN CỬU BỘ ĐIỀU KHIỂN DỊNG ĐIỆN
DEADBEAT TRÍCH MẪU CAO CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU”
Luận văn này đã nêu rõ được tổng quan và mơ hình hóa với đối tượng nghiên cứu là
động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Trình bày phương án thiết kế bộ điều khiển
deadbeat và nêu lên được ưu nhược điểm của bộ điều khiển này. Giới thiệu về phương
pháp oversampling và cách thiết kế khâu quan sát nhiễu loạn để khắc phục nhược điểm
của bộ điều khiển deadbeat với sai lệch tham số mơ hình nhằm nâng cao chất lượng điều
khiển hệ truyền động động cơ điện đồng bộ.

1



CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TỰA TỪ THƠNG
ROTOR CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU
1.1 Khái quát cấu trúc của hệ truyền động điện động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu tựa từ thông rotor
Đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập (ĐCMC-KTĐL) có thể điều
khiển độc lập hai thành phần dịng tạo từ thơng (dịng điện mạch kích từ) và dịng
tạo momen quay (dòng mạch điện phần ứng). Do cấu tạo của ĐCMC-KTĐL có

hai dịng điện này được điều khiển hồn tồn độc lập. Vì vậy bài tốn thiết kế các
thuật tốn điều khiển dịng điện đơn giản và u cầu bộ vi xử lý với một lượng thời
gian tính tốn không nhiều. Đây là ưu điểm của ĐCMC-KTĐL đi trước trong
những năm đầu ứng dụng điều khiển số trong các hệ điều khiển truyền động [1].
Tuy nhiên ĐCMC-KTĐL có hệ thống cổ góp- chổi than nên vận hành kém độ
chính xác và khơng đảm bảo an tồn an tồn trong các mơi trường rung chấn, dễ
cháy nổ.
Trong khi đó động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cấu tạo gồm các cuộn
dây 3 pha phân bố đối xứng và rotor gắn nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường khe
hở. Việc loại bỏ được mạch điện kích từ ở phía rotor đem lại một số ưu điểm cho
động cơ ĐB-KTVC như giảm tổn hao đồng, mật độ công suất cao hơn, giảm mơmen qn tính của động cơ, cấu tạo rotor bền vững về mặt cơ khí hơn. Động cơ
ĐB-KTVC đang được sử dụng rất rộng rãi và ngày càng nhiều hơn trong công
nghiệp. Tuy nhiên ta nhận thấy cấu tạo ĐCĐB-KTVC có hệ thống cuộn dây và
nguồn cấp điện ba pha có cấu tạo khá phức tạp, nên gây khó khăn trong việc mơ
tả tốn học thể hiện điều khiển độc lập theo hai thành phần dòng điện đó là một
dịng điện tạo từ thơng và một dịng điện tạo momen quay như ĐCMC-KTĐL. Vì
vậy để điều khiển tốc độ động cơ này thường áp dụng phương pháp điều khiển tựa
từ thông rotor (Field Oriented Control - FOC). Phương pháp FOC có đặc điểm là
tạo ra một cơng cụ cho phép tách các thành phần dòng tạo từ thơng và dịng tạo
momen quay từ dịng điện xoay chiều 3 pha chảy trong cuộn dây stator của động
cơ. Nhận thấy hệ truyền động điều khiển theo phương pháp tựa từ thơng rotor
chính là hệ hoạt động dựa trên ngun tắc điều khiển cách ly các thành phần dòng
kể trên nhờ mạch vịng điều chỉnh dịng stator. Thơng qua hàm mục tiêu dịng
stator ta có thể đặt ra tính năng cần đạt được của đối tượng sau khi có tác động
điều chỉnh nhanh, chính xác và tách kênh dịng tạo momen, (dẫn đến momen sẽ

1


được áp đặt nhanh và chính xác) trên trục động cơ. Phương thức điều khiển tựa từ

thông rotor thuộc lớp các phương pháp điều khiển vector đối với máy điện [1].
1.2 Cấu trúc phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor – FOC
Với động cơ điện 1 chiều có 2 mạch điện hồn tồn cách ly nên ta có thể điều
khiển riêng biệt 2 thành phần dịng tạo từ thơng và dòng tạo momen một cách dễ
dàng. Tuy nhiên với hệ thống cuộn dây và nguồn cấp điện 3 pha, động cơ đồng bộ
có cấu trúc phức tạp và gây khó khăn đáng kể cho việc mơ tả tốn học đặc điểm
cách ly nói trên. Vì thế, mục đích của phương pháp FOC chính là để tách các thành
phần dịng tạo từ thơng vào dịng tạo momen quay từ dịng điện xoay chiều 3 pha
chạy trong cuộn dây stator của động cơ. Từ đó ta có thể dễ dàng điều khiển như
với động cơ một chiều với các tiêu chí “nhanh, chính xác và khơng tương tác”.
Cấu trúc phương pháp điều khiển tựa từ thơng rotor như hình 1.1.
1

usd

i

0

-

*
 -

2

*
d

*

q

i

RI

αβ us

usq

u s

dq

-

7

tu
tv
tw

id
iq

u

3

s


αβ
dq
5

6

i
i

3~
v

w

iu

3

iv

2
4
ĐCĐB

M
3~


E


Hình 1. 1 Cấu trúc tựa từ thơng rotor FOC trên hệ tọa độ 𝑑𝑞 cho động cơ đồng bộ

Trong hình 1.1 có các khối như sau:
 Khối 1: Khối điều khiển dòng điện. Đây là khối quan trọng, tại đây dòng
điện sẽ được khử tương tác, áp đặt nhanh 2 thành phần d và q, là 2 thành
phần tạo từ thông và momen, ở trong trường hợp động cơ đồng bộ thì dịng
isd =0 (do từ trường có sẵn của từ thông cực 𝜓𝑝 ).
 Khối 2: Chuyển đổi hệ tọa độ dq sang 𝛼𝛽.
 Khối 3: Khối điều chế vector khơng gian, đây là khối tính ra hệ số điều chế
từ đó phát xung ra mạch nghịch lưu.
 Khối 4,5: Các khối chuyển hệ tọa độ.
 Khối 6: Khối xác định góc 𝜗𝑠 .
2


∗
 Khối 7: Khối điều khiển tốc độ, tạo giá trị dòng đặt 𝑖𝑠𝑞
.

1.3 Vai trò của bộ điều khiển dịng Stator
Theo tài liệu [1] ta có:
Nếu bộ điều khiển dòng stator (kết hợp với nghịch lưu nguồn áp) đã được
thiết kế đảm bảo cấp vector dòng đáp ứng đầy đủ ba u cầu “nhanh - chính xác khơng tương tác” thì ta có thể coi ĐCĐB-KTVC được ni bởi một nghịch lưu
nguồn dòng, bảo đảm cung cấp hai thành phần dòng isd và isq theo yêu cầu của hệ
thống. Khi ấy hai q trình từ hóa và tạo momen quay trong dải tốc độ định mức
của động cơ có thể được mô tả ngắn gọn như sau.
𝜓𝑝

𝑖𝑚 =

+ 𝑖𝑠𝑑 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
𝐿𝑠𝑑
{𝑑𝜔
𝑧𝑝
= 𝑘𝜔 𝑖𝑚 𝑖𝑠𝑞 − 𝑚𝑊
𝑑𝑡

𝐽

(1.1)
𝑖𝑠𝑑 = 0; 𝑘𝜔 =

3 𝑧𝑝2 𝐿2𝑚
2 𝐿𝑟 𝐽

(1.2)
Với: im
J
mW

Dịng từ hóa
Momen qn tính
Momen cản (phụ tải)

𝐿𝑠𝑑 Điện cảm stator đo tại vị trí đỉnh cực
Hai phương trình trên đã chỉ ra rất rõ ràng rằng hai thành phần dịng 𝑖𝑠𝑑 và 𝑖𝑠𝑞 chính
là hai biến vào, được sử dụng để điều khiển quá trình từ hóa và tạo chuyển động
(điều khiển tốc độ quay 𝜔) một cách dễ dàng [1].
1.4 Các phương pháp điều khiển bộ điều khiển dòng stator
Theo mục tiêu thiết kế bộ điều khiển dịng đảm bảo nhanh - chính xác - tách

kênh - độ bền vững cao có thể áp dụng phương pháp điều khiển tuyến tính và phi
tuyến. Các phương pháp điều khiển này có đặc điểm như sau:
Các phương pháp điều khiển tuyến tính
Các phương pháp tuyến tính có thể kể đến đó là các phương pháp sử dụng là
bộ điều khiển PI. Bộ điều khiển này có ưu điểm thiết kế đơn giản, ít phụ thuộc vào
tham số động cơ và đáp ứng nhanh. Tuy nhiên bộ điều khiển PI có nhược điểm là
chỉ đạt hiệu quả tốt nhất ở quanh điểm làm việc cân bằng mà khi thiết kế lựa chọn.
Như vậy, khi hệ truyền động tại vùng làm việc rộng, chế độ động khắc nghiệt (tải
thay đổi mạnh hoặc có dạng xung) thì chắc chắn đáp ứng động học và chất lượng
truyền động điện sẽ bị suy giảm.
Bộ điều khiển Deadbeat truyền thống hay cịn gọi là bộ điều khiển bù thì ln
ưu tiên hàng đầu tốc độ đáp ứng hữu hạn (FRT). Bộ điều khiển Deadbeat truyền
3


thống có đặc điểm dẫn dắt biến ra theo một quỹ đạo thời gian do người thiết kế xác
định, sao cho giá trị thực đuổi kịp và bám giá trị đặt sau một lượng hữu hạn N chu
kỳ trích mẫu. Phương pháp này không phù hợp với đối tượng chậm bởi vì hàm
truyền đạt của hệ kín 𝐺𝑊 (𝑧 −1 ) được chọn phụ thuộc hoàn toàn vào dạng quỹ đạo
của biến ra, nghĩa là độc lập với hàm truyền đối tượng 𝐺𝑆 (𝑧 −1 ) nên có thể xảy ra
trường hợp trong bộ điều khiển 𝐺𝑅 (𝑧 −1 ) có thành phần 𝐺𝑊 (𝑧 −1 )/[1 − 𝐺𝑊 (𝑧 −1 )]
khơng bù được chính xác các điểm cực hoặc điểm khơng của 𝐺𝑆 (𝑧 −1 ). Tuy nhiên,
vì đối tượng dịng stator là đối tượng có qn tính nhỏ (điểm cực gần gốc tọa độ)
nên bộ điều khiển Deadbeat truyền thống vẫn được áp dụng trong nghiên cứu.
Các phương pháp điều khiển phi tuyến
Theo tài liệu [7], phương pháp có thể kể đến là phương pháp tuyến tính hóa
chính xác sử dụng phản hồi trạng thái để chuyển hệ phương trình dịng điện phi
tuyến sang quan hệ tuyến tính vào ra, từ đó có thể áp dụng các bộ điều chỉnh tuyến
tính thơng thường. Phương pháp này phải đo lường đầy đủ các trạng thái cần thiết,
loại bỏ chính xác thành phần phi tuyến và thiết kế bộ điều khiển riêng rẽ cho mức

từ thông rotor. Nếu phép đo khơng chính xác, sẽ có thể dẫn đến vấn đề mất tính
bền vững. Để có được đáp ứng như mong muốn cịn phụ thuộc vào tần số trích
mẫu và thường sử dụng tần số trích mẫu nhỏ do đó địi hỏi về kỹ thuật điều khiển
số phải nhanh. Tuy nhiên ngày nay với sự phát triển về lý thuyết điều khiển và kỹ
thuật điều khiển số, phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác (TTHCX)
được cải thiện ít phụ thuộc vào tham số động cơ, kết cấu cơ khí trục nối, momen
cản, đáp ứng chất lượng truyền động.
1.5 Điều chế vector khơng gian cho bộ nghịch lưu 3 pha

Hình 1. 2 Sơ đồ mạch nghịch lưu nuôi động cơ
4


Trong cấu trúc hệ thống truyền động điện xoay chiều 3 pha, khâu điều khiển
nghịch lưu là khâu trung gian giữa bộ điều khiển dòng stator và nghịch lưu. Xét về
phương diện thiết bị thì khâu giữ vai trị giao diện giữa phần cứng và mạch nghịch
lưu. Xét về mặt cấu trúc, khâu giữ vai trò giao diện là khâu truyền đạt 1/1, nghĩa
là đại lượng đầu ra đảm bảo trung thành với đầu vào cả về module, tần số và pha.
Xét về chức năng, khâu giữ vai trò một khâu biến đổi số - tương tự và có nhiệm vụ
chuyển các chuỗi điện áp do bộ điều khiển dòng thành điện áp xoay chiều 3 pha.
Khái niệm vector không gian
Trong hệ thống điện áp 3 pha 3 dây thông thường, các giá trị điện áp (dòng
điện) được biểu diễn bởi các giá trị tức thời (𝑥𝑎 , 𝑥𝑏 , 𝑥𝑐 ). Bằng phép chuyển tọa độ
Clarke đưa hệ thống 3 pha từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ 𝛼𝛽, ta hồn tồn có khả
năng biểu diễn hệ 3 pha như 1 vector duy nhất với biên độ xác định và quay gốc
tọa độ.
2

𝒙 = (𝑥𝑎 + 𝛼𝑥𝑏 + 𝛼 2 𝑥𝑐 )


(1.3)

3

Trong đó:

2𝜋

1

√3

2

2

𝛼 = 𝑒𝑗 3 = − + 𝑗

(1.4)

Với 𝑥𝑎 , 𝑥𝑏 , 𝑥𝑐 có thể là điện áp, dịng điện, từ thơng 3 pha
Vector điện áp u được biểu diễn trên hệ tọa độ tĩnh 𝛼𝛽 thông qua 2 thành
phần tương ứng theo công thức:
𝑢 = 𝑢𝛼 + 𝑗𝑢𝛽
(1.5)
Với:
1
1 𝑢
𝑎
1

−
−
𝑢𝛼
2
2
2
𝑢
[𝑢 ] = [ √3 √3 ] [ 𝑏 ]
3
𝛽
0 −
𝑢𝑐
2

(1.6)

2

Trong hệ tọa độ 𝛼𝛽 điện áp 3 pha được biểu diễn bằng 1 vector quay có gốc
tọa độ tại tâm hệ trục hệ tọa độ, độ lớn xác định bằng 𝑈𝑚 = √(𝑢𝛼 + 𝑢𝛽 )2 và quay
xung quanh gốc tọa độ với vận tốc góc 𝜔 = 𝜃̇ (với 𝜃 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛(

𝑢𝛽
𝑢𝛼

)). Cách biểu

diễn này được gọi là 1 vector không gian.
Với hệ 3 pha cân bằng và đối xứng thì các điện áp pha có biên độ bằng nhau
và góc lệch tương ứng 2𝜋/3.

𝑢 = 𝑢𝑚 𝑒 𝑗(𝜔𝑡)
(1.7)
Khi đó vector khơng gian sẽ có độ lớn bằng 𝑈𝑚 và quay quanh gốc tọa độ
với vận tốc góc bằng 𝜔. Trong trường hợp tổng quát với hệ 3 pha đối xứng (có thể
5


cân bằng hoặc không cân bằng) vector không gian điện áp 3 pha có thể biểu diễn
bởi 2 thành phần thuận và nghịch.
𝑢 = 𝑢𝑝 + 𝑢 𝑛

(1.8)

𝑢𝑝 = 𝑈𝑝𝑚 ∠𝜃𝑝
{
𝑢𝑛 = 𝑈𝑛𝑚 ∠𝜃𝑛

(1.9)

Trong đó:

Thành phần thuận 𝑢𝑝 được coi như thành phần cơ bản của hệ, và quay cùng
chiều với hệ khi trong trạng thái cân bằng. Thành phần nghịch 𝑢𝑛 là thành phần bổ
sung vào hệ, có chiều quay ngược lại với thành phần thuận, là tác nhân gây ra tính
chất mất cân bằng của hệ.
Trong hệ thống điện áp 3 pha có dạng sine và cân bằng, thì quỹ đạo của vector
khơng gian u là một đường trịn, có bán kính bằng với biên độ điện áp pha |𝑢| =
𝑈𝑚 . Còn nếu điện áp của hệ sine mất cân bằng, thì quỹ đạo vector u vẽ nên có dạng
elip, đường bán kính dài có độ lớn bằng biên độ thành phần thứ tự thuận |𝑢𝑝 | =
𝑈𝑝𝑚 , đường bán kính ngắn có độ lớn bằng hiệu biên độ thành phần thứ tự thuận và

nghịch |𝑢𝑝 | − |𝑢𝑛 | = 𝑈𝑝𝑚 − 𝑈𝑛𝑚 .Điều này được thể hiện trong hình dưới đây:
Quỹ đạo sine cân bằng

p



p

u

u

Quỹ đạo sine mất cân
bằng

u
t

Hình 1. 3 Quỹ đạo vector không gian trên mặt phẳng tọa độ

Phương pháp điều chế vector khơng gian
Ta có hình 1.2 thể hiện sơ đồ một bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha với 3 cặp van bán
dẫn IGBT. Ứng với 3 cặp van như hình trên ta có 8 trạng thái logic hay 8 vector
điện áp chuẩn. Trong đó có 2 tổ hợp đặc biệt có module bằng 0 (|𝑢0 | = |𝑢7 | = 0).

6


Hình 1. 4 Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh 𝛼𝛽


Vị trí vector điện áp 𝒖̱ 𝒔 có thể nằm bất kỳ trong các sector trên hệ tọa độ tĩnh
𝛼𝛽. Các bước thực hiện phương pháp điều chế vector không gian:
Bước 1: Xác định trạng thái (vector chuẩn) của mạch nghịch lưu.
Bảng 1. 1: Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn

Vector
chuẩn

Van
dẫn

𝑢𝑎

𝑢𝑏

𝑢𝑐

𝑢𝑎𝑏

𝑢𝑏𝑐

𝑢̱ 𝑠

𝑢̱ 0

𝑆2 𝑆4 𝑆6

0


0

0

0

0

0

𝑆6 𝑆1 𝑆2

2
𝑈
3 𝑑𝑐

𝑈𝑑𝑐

0

2
𝑈 ∠0
3 𝑑𝑐

𝑆1 𝑆2 𝑆3

1
𝑈
3 𝑑𝑐
−1

𝑈
3 𝑑𝑐

0

𝑈𝑑𝑐

𝑈𝑑𝑐

𝑈𝑑𝑐

2
𝜋
𝑈𝑑𝑐 ∠( )
3
3
2
2𝜋
𝑈𝑑𝑐 ∠( )
3
3

1
𝑈
3 𝑑𝑐
2
𝑈
3 𝑑𝑐
1
𝑈

3 𝑑𝑐

𝑈𝑑𝑐

0

0

−𝑈𝑑𝑐

𝑈𝑑𝑐

−𝑈𝑑𝑐

0

0

0

𝑢̱ 1
𝑢̱ 2

𝑆2 𝑆3 𝑆4

𝑢̱ 3

−1
−1
𝑈𝑑𝑐

𝑈
3
3 𝑑𝑐
1
𝑈
3 𝑑𝑐
2
𝑈
3 𝑑𝑐

1
𝑆3 𝑆4 𝑆5 −2
𝑈𝑑𝑐
𝑈
3
3 𝑑𝑐
−1
𝑆4 𝑆5 𝑆6 −1
𝑈𝑑𝑐
𝑈
3
3 𝑑𝑐
−2
𝑆5 𝑆6 𝑆1 1
𝑈𝑑𝑐
𝑈
3
3 𝑑𝑐

𝑢̱ 4

𝑢̱ 5
𝑢̱ 6

𝑆1 𝑆3 𝑆5

𝑢̱ 7

0

0

−2
𝑈
3 𝑑𝑐
−1
𝑈
3 𝑑𝑐

2
𝑈 ∠(−𝜋)
3 𝑑𝑐
2
−2𝜋
𝑈𝑑𝑐 ∠(
)
3
3
2
−𝜋
𝑈𝑑𝑐 ∠( )

3
3
0

Ta thấy biên độ các vector chuẩn (|𝑢̱ 1 |, |𝑢̱ 2 |, |𝑢̱ 3 |, |𝑢̱ 4 |, |𝑢̱ 5 |, |𝑢̱ 6 |) đều có độ
2

𝜋

3

3

lớn là 𝑈𝑑𝑐 và các góc pha lệch nhau một góc , biên độ của 2 vector khơng cịn
lại (|𝑢̱ 0 |, |𝑢̱ 7 |) có độ lớn bằng không. Từ các cặp vector biên chuẩn này, khơng
𝜋

gian vector chia làm 6 sector đều nhau, có độ mở là .
3

7


Nguyên tắc thực hiện điều chế vector không gian: Vector điện áp đặt sẽ được
tổng hợp từ các vector điện áp đã biết của mạch nghịch lưu. Ta sẽ lần lượt thực
hiện các bước sau:
-

Tính tốn thời gian thực hiện cả vector chuẩn bao gồm cả thời gian thực
hiện vector khơng và vector tích cực trong một chu kì điều chế.


-

Xác định trình tự thực hiện các vector chuẩn khi vector điện áp đặt nằm
trong các sector khác nhau.

-

Xuất ra thời gian đóng cắt cho các nhánh van mạch nghịch lưu.
Bước 2: Xác định vị trí vector điện áp đặt 𝑢̱ 𝑠
Sử dụng phương pháp đại số để xác định vị trí vector điện áp đặt 𝑢̱ 𝑠 .

Hình 1. 5 Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời 𝑢𝑠𝑎 , 𝑢𝑠𝑏 , 𝑢𝑠𝑐

Bước 3: Tính tốn thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện hai vector chuẩn
trong mỗi chu kỳ điều chế 𝑇𝑠 .
Vector điện áp đặt 𝑢̱ 𝑠 sẽ được tổng hợp từ hai vector biên trong khoảng thời
gian 𝑇1 , 𝑇2 . Thời gian còn lại (𝑇𝑠 − 𝑇1 − 𝑇2 ) thực hiện vector không.
𝑢̱ 𝑠 =

𝑇1
𝑇2
𝑇0
𝑢̱ 𝑥 + 𝑢̱ 𝑦 + 𝑢̱ 0 (ℎ𝑎𝑦𝑢̱ 7 )
𝑇𝑠
𝑇𝑠
𝑇𝑠

= 𝑑1 𝑢̱ 𝑥 + 𝑑2 𝑢̱ 𝑦 + 𝑑0 𝑢̱ 𝑜 (ℎ𝑎𝑦𝑢̱ 7 )


8




uy

T2
.u y
Ts

us 

T1
T
ux  2 u y
Ts
Ts

u0



T1
.ux
Ts

u7

ux


Hình 1.6 Nguyên tắc điều chế vector điện áp

Do |𝑢̱ 0 | = |𝑢̱ 7 | = 0 nên 𝑢̱ 𝑠 = 𝑑1 𝑢̱ 𝑥 + 𝑑2 𝑢̱ 𝑦 với 𝑑1 =

𝑇1
𝑇𝑠

𝑇

; 𝑑2 = 2. Hệ số điều
𝑇𝑠

chế 𝑑1 , 𝑑2 được xác định như sau:
𝑢𝑥𝛼
𝑑
[ 1 ] = [𝑢
𝑥𝛽
𝑑2

𝑢𝑦𝛼 −1 𝑢𝑆𝛼
𝑢𝑆𝛼
]
[
]
=
𝑨
[
𝑛𝑚
𝑢𝑦𝛽

𝑢𝑆𝛽
𝑢𝑆𝛽 ]

(1.10)

Hệ số 𝑑0 điều chế vector không xác định 𝑑0 = 1 − 𝑑1 − 𝑑2 .
Bảng 1. 2: Bảng tổng hợp ma trận trong mỗi sector
Sector 2

Sector 1
𝑨𝑛𝑚 =

2
3

1
𝑈𝑑𝑐
(

0

−1
3
1

−1

1
3
1


1 3 − √3
=
(
2)
𝑈𝑑𝑐 2
0 √3

√3)

𝑨𝑛𝑚 =

1
𝑈𝑑𝑐

( √3

𝑨𝑛𝑚 =

1
𝑈𝑑𝑐

1
3
1

( √3

−


−1

2
3

0

)

0
1
=
( 3
𝑈𝑑𝑐 −
2

√3
√3)
−
2

𝑨𝑛𝑚 =

1
𝑈𝑑𝑐

−

1
3

1

𝑨𝑛𝑚

−

1
3
1
√3)

−1

3
1 −2
=
𝑈𝑑𝑐 3
( 2

−

−
( √3

Sector 5
1
−
1
3
=

1
𝑈𝑑𝑐
−
( √3

√3)

−3 √3
1
2
2
=
𝑈𝑑𝑐 3 √3
2)
(2

Sector 4

Sector 3
−

−1

1
3
1

−1

2

3

0

=
)

0 −√3
1
( 3 √3 )
𝑈𝑑𝑐 −
2
2

Sector 6
√3
−
2
√3
−
2)

𝑨𝑛𝑚 =

1
𝑈𝑑𝑐

2
3
0

(

−

1
3
1
√3)

−1

=

1 3 √3
(
2 )
𝑈𝑑𝑐 2
0 −√3

9


Bước 4: Tính tốn thời gian thực hiện (hoặc hệ số điều chế) thực hiện nhánh
van nghịch lưu trong mỗi chu kì 𝑇𝑠 .
Để tổn hao do đóng cắt các van, thì trong một chu kì các cặp van phải chuyển
mạch ít nhất.
Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1:
Bảng 1.3: Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1

𝑢̱ 1


𝑢̱ 2

𝑢̱ 7

𝑢̱ 0

Pha a

1

1

1

0

Pha b

0

1

1

0

Pha c

0


0

1

0

Trình tự chuyển mạch như sau 𝑢̱ 1 → 𝑢̱ 2 → 𝑢̱ 7 → 𝑢̱ 2 → 𝑢̱ 1 → 𝑢̱ 0 với thời gian
tương ứng 𝑑𝑎 → 𝑑𝑏 → 𝑑𝑐 → 𝑑𝑏 → 𝑑𝑎 thì số lần chuyển mạch là ít nhất. Ta có mẫu
xung đưa ra trong Sector 1 như sau:

Ts
T0

4

u0

T1
u1

2

Ts

2
T2

2


u2

T0

4

u7

T0

4

u7

T2
u2

2

2
T1

2

u1

T0

4


u0

S1
S3
S5

S4
S6
S2

Sector 1
Hình 1.7 Mẫu xung chuẩn trong Sector 1

10


Tương tự xét trong các sector cịn lại, ta có kết quả:
Bảng 1. 4: Hệ số điều chế cho nhóm van của mạch nghịch lưu

Sector
Sector 1

Sector 2

Sector 3

Thời gian đóng/cắt

Sector


𝑑𝑎 = 𝑑0 /2

Sector 4

Thời gian đóng/cắt
𝑑𝑎 = 𝑑0 /2 + 𝑑1 + 𝑑2

𝑑𝑏 = 𝑑0 /2 + 𝑑1

𝑑𝑏 = 𝑑0 /2 + 𝑑1

𝑑𝑐 = 𝑑0 /2 + 𝑑1 + 𝑑2

𝑑𝑐 = 𝑑0 /2

𝑑𝑎 = 𝑑0 /2 + 𝑑1

Sector 5

𝑑𝑎 = 𝑑0 /2 + 𝑑1

𝑑𝑏 = 𝑑0 /2

𝑑𝑏 = 𝑑0 /2 + 𝑑1 + 𝑑2

𝑑𝑐 = 𝑑0 /2 + 𝑑1 + 𝑑2

𝑑𝑐 = 𝑑0 /2

𝑑𝑎 = 𝑑0 /2 + 𝑑1 + 𝑑2


Sector 6

𝑑𝑎 = 𝑑0 /2

𝑑𝑏 = 𝑑0 /2

𝑑𝑏 = 𝑑0 /2 + 𝑑1 + 𝑑2

𝑑𝑐 = 𝑑0 /2 + 𝑑1

𝑑𝑐 = 𝑑0 /2 + 𝑑1

1.6 Xây dựng mơ hình liên tục ĐCĐB-KTVC
Theo tài liệu [1] Dựa vào phương pháp điều khiển tựa từ thơng rotor (FOC)
ta có mơ hình tốn học của động cơ ĐCĐB-KTVC được mô tả bởi một hệ phương
trình vi phân bậc cao. Vì cấu trúc phân phối các cuộn dây phức tạp về mặt không
gian, các mạch từ móc vịng ta phải chấp nhận một loạt các điều kiện sau đây trong
mơ hình hóa ĐCĐB- KTVC [1].
-

Nguồn cấp cho động cơ đối xứng ba pha.
Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng trong khơng gian.
Các tổn hao sắt từ và sự bão hịa từ có thể được bỏ qua.
Dịng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.
Các giá trị điện trở và điện cảm tạm được coi là không đổi.

Theo tài liệu [1] vector điện áp stator

us được xác định như sau:


d sf
u  Rs . i 
 js sf
dt
f
s

Trong đó

f
s

(1.11)

Rs , ss : lần lượt là điện trở stator và từ thông stator.

Quan hệ giữa từ thông rotor và từ thông stator được mô tả như sau:

 sf  Ls i sf  pf

(1.12)

Trong (1.12)  pf là vector từ thơng cực. Vì trục d của hệ tọa độ trùng với trục
của từ thông cực, thành phần vng góc của  pf sẽ bằng khơng. Ta thu được:

11


 pf   p


(1.13)

Phương trình các thành phần từ thông:

 sd  Lsd isd  p

 sq  Lsqisq

(1.14)

Thay hai phương trình (1.14) và (1.12) vào (1.11) ta được:

di

usd  Rsisd  Lsd sd  s Lsqisq


dt

 u  R i  L disq   L i   
sq
s sq
sq
s sd sd
s p

dt



(1.15)

Từ phương trình momen tổng quát của máy điện từ trường quay ta có:

3
mM  Z p ( sd isq  sqisd )
2

(1.16)

Thay (1.14) vào (1.16) ta thu được phương trình tính momen quay của động cơ
đồng bộ kích thích vĩnh cửu:

3
mM  Pc  pisq  isd isq ( Lsd  Lsq )
2

(1.17)

Theo (1.17) momen quay của động cơ đồng bộ bao gồm 2 thành phần: thành
phần chính

 pisq

và thành phần phản kháng cho chênh lệch (Lsd  Lsq ) . Khi

xây dựng hệ thống điều khiển kiểu FOC sử dụng động cơ đồng bộ ta sẽ phải
điều khiển vector dòng stator i s sao cho vector dịng đứng vng góc với từ
thơng cực, do đó khơng có thành phần dịng từ hóa mà chỉ có thành phần dịng
tạo momen quay. Vậy


isd

bằng khơng và ta thu được phương trình momen như

sau:

3
mM  Pc pisq
2

(1.18)

Viết lại phương trình (1.15) ta thu được mơ hình dịng liên tục của động cơ
đồng bộ kích thích vĩnh cửu:

Lsq
 disd
1
1


i


isq 
usd
sd
s
 dt

Tsd
Lsd
Lsd


 disq   1 i   Lsd i  1 u    p
sq
s
sd
sq
s
 dt
Tsq
Lsq
Lsq
Lsq


(1.19)

12


1.7 Kết luận
Trong chương 1 đã trình bày được các nội dung như sau:
-

Phương pháp điều khiển FOC cho ĐCĐB-KTVC, động cơ này được điều
khiển như ĐCMC-KTĐL.


-

Tập trung khái quát các phương pháp điều khiển cho mạch vòng dòng stator
như phương pháp tuyến tính (PI, deadbeat truyền thống), phương pháp điều
khiển phi tuyến tuyến tính hóa chính xác (TTHCX).

-

Đưa ra phương pháp điều chế vector không gian phục vụ quá trình mơ hình
hóa và mơ phỏng sau này.

13