Điều khiển động cơ FOC

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn chân thành tới các
thầy cô trong khoa điện – điện tử đặc biệt là PGS.TS NGUYỄN VĂN
NHỜ, giảng viên khoa điện – điện tử trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
TP.HCM người đã trực tiếp hướng dẫn hoàn thành đồ án môn học này.
Bản thân là một kỹ sư điện tương lai, em hiểu rõ tầm quan trọng
của động cơ khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc trong cơng nghiệp,
quá trình sản xuất và cũng như tầm quan trọng của việc điều khiển
nó, trong đó có phương pháp điều khiển theo vector tựa từ thơng
rotor (FOC).
Do kiến thức cịn hạn chế cũng như chưa có kinh nghiệm thực tế
nên báo cáo đồ án này của em không tránh khỏi những thiếu sót, em
kính mong thầy giáo xem xét và góp ý để em hồn thành đồ án này
được tốt hơn sau này. Em xin chân thành cảm ơn thầy cô!
Sinh viên thực hiện

1


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong mọi mặt
của đời sống xã hội, đặc biệt là trong ngành sản xuất hiện đại và lĩnh
vực đời sống khơng thể thiếu động cơ điện, chính vì vậy mà các loại
động cơ điện ngày càng được chế tạo hồn thiện, trong đó động cơ
điện khơng đồng bộ ba pha chiếm tỷ trọng lớn trong ngành công
nghiệp, do động cơ khơng đồng bộ ba pha có nhiều ưu điểm, chẳng
hạn như khởi động dễ dàng, chi phí thấp, hoạt động êm ái, kích
thước nhỏ gọn, chức năng vững chắc, đặc tính hoạt động tốt, dễ bảo
trì, chi phí vận hành và bảo trì thấp. Tuy nhiên, nó có nhược điểm về

đặc tính cơ. Do tính phi tuyến tính mạnh nên trước đây loại động cơ
này phải nhường chỗ cho động cơ điện một chiều cho các quá trình
điều khiển đơn giản và khơng được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, với
sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, hiện nay việc ứng
dụng động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi, cũng
như công nghệ vi xử lý, điện tử công suất, bên cạnh các lý thuyết
điều khiển và truyền động. Động cơ được phân bố trong hệ thống
truyền lực để điều hòa tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần
các động cơ một chiều.
Nó thường được sử dụng để điều khiển động cơ bằng cách điều
chỉnh điện áp. Đây là một phương pháp đơn giản nhưng chất lượng
điều chỉnh cả tĩnh và động đều không cao. Để điều khiển được chính
xác và hiệu quả phải nói đến phương pháp thay đổi tần số điện áp
nguồn cung cấp. Vì tốc độ của động cơ không đồng bộ xấp xỉ với tốc
độ đồng bộ nên động cơ chạy với độ trượt nhỏ, và tổn thất công suất
trượt trong mạch rotor nhỏ. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn phức
tạp và tốn kém. Thiết bị dùng để biến đổi tần số là biến tần, có thể là
2


biến tần trực tiếp hoặc gián tiếp. Chúng ta có thể sử dụng biến tần
như một thiết bị nhúng. Sự kết hợp của chỉnh lưu, biến tần và bộ
điều khiển. Điều khiển trong mỗi biến tần phụ thuộc vào nhà sản
xuất.
Nhiều biến tần hiện có sẵn trên thị trường để điều khiển động
cơ. Ít khi thiết kế theo phương pháp cổ điển. Các nhà sản xuất chọn
biến tần nhiều hơn so với điều khiển sao tam giác hoặc điện trở phụ
hoặc các thiết bị điều khiển khác vì chúng nhỏ gọn, chính xác, đáng
tin cậy và có thể đáp ứng nhu cầu tự động hóa và hiện đại hóa
ngày càng tăng trong ngành điện. Biến tần đơn giản thường điều

khiển tốc độ theo quy luật U / f để đảm bảo động cơ tạo ra moment
xoắn tốt nhưng đối với các hệ thống truyền động đòi hỏi khắt khe
hơn. Để đáp ứng yêu cầu đó, người ta đã tạo ra bộ biến tần điều
khiển vector dựa trên từ thông rotor (FOC).
Mục đích của đồ án
Tuy hiện nay các loại biến tần đã được bày bán và sử dụng rộng
rãi trên thị trường của các hãng Toshiba, Omron, Siemens ... với
nhiều phương pháp điều khiển khác nhau như: theo luật U/f không
đổi, điều khiển vector tựa từ thông rotor.. nhưng việc tìm hiểu để
chọn ra một phương pháp thích hợp hoặc nghiên cứu tìm ra một
phương pháp điều khiển mới sao cho tối ưu về giá thành, độ chính
xác, độ tin cậy thì vẫn cịn những tranh luận vì mỗi loại đều có ưu
nhược khác nhau. Bản đồ án này của em xin được trình bày rõ hơn
về phương pháp biến tần sử dụng phương pháp FOC (điều khiển
vector tựa từ thơng rotor) bao gồm các phần chính sau:
•
•

Xây dựng cơ sở lý thuyết thuật tốn FOC
Mơ phỏng bằng PSIM đánh giá đáp ứng hệ thống biến tần dùng

thuật toán điều khiển FOC
• Đánh giá ưu nhược điểm biến tần sử dụng luật FOC

3


A. LÝ THUYẾT

1. Động cơ không đồng bộ

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.
Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất
và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, độ tin cậy cao, vận
hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như khơng cần bảo trì. Dải công
suất rất rộng từ vài Watt đến 10.000HP. 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 cịn có vỏ máy, nắp máy và trục máy.

4


Hình 1.1: 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
3. Nắp máy
4. Ổ bi
5. Trục máy
6. Hộp dầu cực
7. Lõi thép rotor
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, ngồi ra
cịn có vỏ máy và nắp máy

5


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 1.2: 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

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 ngồi 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 rotor.

6

Dây quấn rotor của máy điện khơng 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 1.3: Rotor động cơ KĐB
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 này ln ln 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 này để dẫn điện
vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động
hoặc điều chỉnh tốc độ

7


1.2. 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 rotor.
+ Không đồng bộ rotor lồng sóc.
+ Khơng đồng bộ rotor dây quấn.

1.3. 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 khơng 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 cosφ

8

đm

.


Đối với động cơ điện không đồng bộ, công suất định mức là cơng
suất trên đầu trục động cơ. Cịn 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).

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB
Stator được quấn các cuộn dây lệch nhau về không gian (thường
là 3 cuộn dây lệch nhau góc 120°). Khi cấp điện áp 3 pha vào dây
quấn, trong lòng Stator xuất hiện từ trường Fs quay tròn với tốc độ
n1=60*f1/p, với p là số cặp cực của dây quấn Stator, f 1 là tần số.
Từ trường này móc vịng qua Rotor và gây điện áp cảm ứng trên
các thanh dẫn lồng sóc của rotor. Điện áp này gây dịng điện ngắn
mạch chạy trong các thanh dẫn. Trong miền từ trường do Stator tạo
ra, thanh dẫn mang dòng I sẽ chịu tác động của lực Bio-SavartLaplace lơi đi. Có thể nói cách khác: dòng điện I gây ra một từ trường
Fđt (từ trường cảm ứng của Rotor), tương tác giữa F đt và Fs gây ra
momen kéo Rotor chuyển động theo từ trường quay Fs của Stator và
quay với tốc độ n.
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

Rotor 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 rơto n như hình bên.

9


Theo qui tắc bàn tay phải, xác định được chiều suất điện động E 2
và I2; Theo qui tắc bàn tay trái, xác định được lực F đt và moment M.

Ta thấy Fđt cùng chiều quay của rotor, điện năng đưa tới stato,
thông qua từ trường đã biến đổi thành cơ năng trên trục làm quay
rotor theo chiều từ trường quay n1 → Máy làm việc ở chế độ động cơ.
Rotor quay cùng chiều từ trường quay, tốc độ n > n1 (s < 0)
Dùng động cơ sơ cấp quay rotor của máy
điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ n > n1.
Chiều của từ trường quay quét qua dây quấn
rơto ngược lại, sức điện động và dịng điện trong
dây quấn rôto đổi chiều nên mômen M ngược
chiều của n1, nghĩa là ngược chiều của rơto, nên
đó là moment 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 ngun nhân nào đó mà rơto của máy
điện quay ngược chiều từ trường quay, lúc này
chiều suất điện động, dòng điện và mômen
giống như ở chế độ động cơ điện. Vì moment
sinh ra ngược chiều quay với rotor 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.

10


2. Mơ hình hố động cơ khơng đồng bộ xoay chiều ba pha

2.1 Hệ toạ độ cố định αβ cố định với stator
Động cơ khơng đồng bộ có ba cuộn dây stator với điện áp ba
pha được bố trí trong khơng gian như hình

Hình 2.1: Vị trí khơng gian các pha
Vector không gian cho điện áp stator:
(2-1)

Theo công thức, vector us là vector có module khơng đổi quay
trên mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs được mơ tả qua hình
11


Hình 2.2: Xây dựng vector khơng gian từ các đại lượng pha
Vector khơng gian điện áp stator có module là |us| và quay trong
mặt phẳng phức với tốc độ góc ω s. Đặt tên trục cuộn dây pha A là
trục thực α và trục vng góc với nó là trục ảo β. Khi đó ta có được
một hệ tọa độ là hệ tọa độ cố định stator (α – β) và các vector khơng
gian có thể mơ tả thơng qua 2 thành phần là trục thực α và trục ảo
β.

Hình 2.3: Hệ tọa độ stator (α - β)

Từ đó ta có được cơng thức điện áp trên stator trên hệ toạ độ αβ:
12


(2-2)

2.2 Hệ toạ độ từ thơng rotor dq

Từ mơ hình động cơ trên hệ tọa độ αβ, ta tưởng tượng ra một hệ
tọa độ dq chung gốc, sao cho,trục d trùng và quay đồng bộ với
vector từ thông của ψr rotor với tốc độ là ωs và góc pha là ,trong khi
đó trục của rotor của động cơ quay với tốc độ góc là ω,với góc pha là
,và trục q là trục vng góc với trục d. Như vậy,khi ta coi hệ tọa độ
quay dq có vector từ thơng ψr trùng với trục thực d,thì ta có một hệ
tọa độ quay đồng bộ với các vector dòng i s, áp us và từ thông ψ r. Các
vector này và hệ tọa độ quay dq quay với cùng tốc độ góc là ωs. Như
vậy, với mọi vector quay trong hệ tọa độ trực chuẩn, ta đều có thể
phân tích được nó ra thành hai thành phần trên hệ tọa độ dq với hai
thành phần d và jq, ví dụ như vector dòng điện is, như sau:

13


Hình 2.4: Biểu diễn vector khơng gian trên hệ tọa độ (d – q)
Từ đó ta xây dựng được mối quan hệ với vector is trên cả hai hệ
trục tọa độ như sau:
(2-3)
Tương tự với các thành phần vector us, ψr, ir,….
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, dịng điện, từ thông stator được biểu diễn
trong hệ tọa độ dq quay theo góc θs quanh hệ tọa độ cố định abc.
Đại lượng điện áp stator trên hệ tọa độ abc chuyển sang hệ tọa
độ dq:
=

(2-4)

Phép chuyển tọa độ này cũng thực hiện được với dịng điện và từ
thơng với góc θs 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:
(2-5)

2.3. Các phương trình cơ bản của động cơ khơng 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 khơng gian. Các cuộn
dây được phân bố rải trong không gian và đối xứng nhau. Động cơ
14


KĐB được mơ tả bởi một hệ phương trình vi phân bậc cao. Để có thể
tìm được mơ 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 khơng 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 thơng)

•

s

đại lượng mơ tả trên hệ tọa độ αβ cố định với stator

r

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

*

đại lượng đặt

Chỉ số viết bên phải, phía dưới:
Chữ cái thứ nhất: s đại lượng mạch stator
r đại lượng mạch rotor
Chữ cái thứ hai: d,q các thành phần thuộc hệ tọa độ dq
α, β các thành phần thuộc hệ tọa độ αβ

•

Các đại lượng viết đậm: vector

15


2.4 Các phương trình cơ bản của động cơ KĐB

Hình 2.5: Sơ đồ mạch điện tương đương động cơ KĐB

Phương trình điện áp stator (trên hệ thống cuộn dây stator)
uss = Rsiss +
(2-6)
Rs: điện trở stator; : từ thơng stator
• Phương trình điện áp rotor ( trên hệ thống cuộn dây rotor ngắn
•

mạch)

0 = Rr i rr +
(2-7)
Rr: điện trở rotor; : từ thơng rotor; 0: vector rỗng
• Phương trình từ thông
(2-8)
với Ls = Lm + Lσs (Lσs: điện cảm tiêu tán phía stator)
Lr = Lm + Lσr (Lσr: điện cảm tiêu tán phía rotor)
Ls : hỗ cảm giữa rotor và stator
•

Phương trình mơ men quay
mM = p () = = p ()

•

Phương trình chuyển động
M = ML +
Trong đó các đại lượng:

M: mô men của động cơ
ML: mô men của tải
J: mơ men qn tính của động cơ
ω : tốc độ quay của rotor
p: số cặp cực của động cơ

16

(2-9)
(2-10)


2.5 Điện áp trên hệ trục toạ độ dq
2.5.1 Phương trình điện áp stator
Cơng thức chuyển hệ tọa độ:
= . ; = .; = . ;
Với k: hệ toạ độ cần xét
Thay các đại lượng mới chuyển vào phương trình (2-6) ta sẽ thu
được phương trình điện áp stator mới trên hệ tọa độ quay với tốc độ
góc ωk
(2-11)
Ta chuyển phương trình trên sang hệ toạ độ quay đồng bộ với từ
thông rotor dq. Ta thay ωk = ωs, ta thu được phương trình điện áp
stator theo hệ toạ độ dq:
(2-12)
2.5.2 Điện áp rotor trên hệ toạ độ dq
Áp dụng công thức chuyển hệ tọa độ được thực hiện giống như
phía stator, Sau khi thay các đại lượng chuyển hệ vào (2-7) ta thu
được :
(2-13)

Ta xét: ωk = ωs - ω = ωr: hệ tọa độ mới chuyển động tương đối so
với rotor với tốc độ góc ωr (do là hệ tọa độ dq quay với tốc độ ωs so
với hệ tọa độ đứng yên ; rotor quay với tốc độ ω so với hệ tọa độ
đứng yên). Hệ quay vượt trước rotor một khoảng tần số trượt ωr và vì

17


vậy sẽ trùng với hệ tọa độ tựa hướng từ thơng rotor. Sau khi thay ωr
vào phương trình trên ta thu được:
(2-14)

2.6 Mơ hình tốn học của động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq
Ta có phương trình cân bằng điện áp của rotor (2-12), xét trên hệ
tọa quay dq.
(2-15)
Ta xét riêng trên hai trục tọa độ quay dq:
(2-16)
Từ công thức của hệ (2-8), ta cũng xét trên hai trục toạ độ dq,
ta có:
(2-17)

Thay vào hệ phương trình trên, ta có được:
(2-18)
Do ta đang xét trên hệ tọa độ dq,nên các thành phần trục q là ,
ta biến đổi:
(2-19)
Với Tr = : hằng số thời gian rotor
Biến đổi laplace phương trình thứ hai của hệ (2-13),của hệ phương
trình mới có,ta có được:

(2-20)

18


Sử dụng phương trình momen điện từ của động cơ (2-9), xét
trên hệ tọa độ dq, ta có được:
(2-21)

3. Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC
3.1 Ý tưởng của phương pháp
Ở phương trình của mơ hình toán học của động cơ KĐB trên hệ
tọa độ dq, ta có sự tương quan giữa từ thơng rotor và mô men điện
từ M của động cơ KĐB được điều khiển bởi 2 thành phần và . Như vậy
coi việc điều khiển từ thông rotor và 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 hai thành phần dòng
và để điều khiển tốc độ động cơ KĐB trên hệ tọa độ vector quay dq
được gọi là phương pháp điều khiển vector FOC – Field Oriented
Control
3.2 Phương pháp điều khiển FOC
Trong phương pháp điều khiển vector đối với động cơ KĐB 3 pha,
để điều khiển động cơ KĐB người ta chia việc điều khiển thành điều
khiển 2 thành phần: thành phần sinh ra từ thông và thành phần sinh
ra mô men. Trong phương pháp điều khiển vector người ta chia thành
2 phương pháp điều khiển đó là phương pháp điều khiển vector trực
tiếp và phương pháp điều khiển vector gián tiếp. Căn cứ vào việc
chuyển đổi hệ tọa độ từ tọa độ abc sang hệ tọa độ quay dq với cùng
gốc tọa độ. Người ta phân tích những thành phần chính bên phía
stator như vector điện áp và vector dòng điện thành các vector dòng

và áp trên hệ tọa độ dq kết hợp với việc chọn trục vector từ thông
rotor trùng với trục d trong hệ tọa độ quay dq như đã phân tích ở
phần 2.

19


Trong hệ toạ độ quay (dq): Phương pháp điều khiển dịng điện có
thể thực hiện với khâu hiệu chỉnh PI thiết kế trong hệ toạ độ dq với
vận tốc quay bằng vận tốc sóng hài cơ bản. Vector của đại lượng 3
pha hài cơ bản trong hệ toạ độ quay tần số đồng bộ sẽ trở thành
đứng yên và các thành phần vector i d và iq có nó trong hệ toạ độ mới
sẽ trở thành đại lượng một chiều

3.3 Ưu điểm và nhược điểm:
Ưu điểm:
• Đáp ứng mơ men tốt.
• Điều khiển tốc độ chính xác.
• Mơ men cực đại ở tốc độ thấp.
• Đặc tính tương đương với động cơ một chiều.
Nhược điểm:
• Cần bộ điều chế độ rộng xung.
• u cầu phải tính tốn được giá trị dịng điện phản hồi hoặc từ
thơng

3.4 Cơng thức biến đổi các hệ thức ở phương pháp FOC
Điều khiển gián tiếp được thực hiện từ suy ra từ thông động cơ
qua cảm biến đo vị trí rotor. Trong phương pháp điều khiển vector
gián tiếp, góc lệch của trục từ thơng rotor và trục dây quấn pha A
stator là góc θs được tính thơng qua tốc độ đo về từ trục động cơ và

tốc độ trượt . Công thức liên hệ như sau dựa vào hình 7:
(3-1)
Từ cơng thức (2-112) và xét trên hệ trục dq, ta có:
(3-2)
Từ hệ phương trình trên, ta có cơng thức tính tốc độ trượt:
(3-3)

20


4. Hiệu chỉnh PID (PID CONTROL)

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý làm việc bộ PID
Phương trình vi phân mơ tả khâu hiệu chỉnh PID:
u (t) = K p e(t) + K I ∫ e(t)dt + K D

de(t)
dt

Trong đó:
KP là hệ số khâu tỉ lệ.
KI là hệ số khâu tích phân.
KD là hệ số khâu vi phân.
Phép biến đổi Laplace:
G (s) =



u(s)
1

= K P 1 +
+ TD .s ÷
e( s )
 TI .s


TD =

Với:

KD
KP

Vậy khi thiết kế cần hiệu chỉnh các giá trị KP, KI và KD sao cho hệ
đạt được chất lượng tối ưu.
Khâu hiệu chỉnh PID:
21


Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống
nhằm làm giảm sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ
gây ra vọt lố và trong một số trường hợp là không chấp nhận được
đối với mạch động lực.
Khâu tích phân tỉ lệ (PI) có mặt trong hệ thống dẫn đến sai lệch
tĩnh triệt tiêu (hệ vơ sai). Muốn tăng độ chính xác của hệ thống ta
phải tăng hệ số khuếch đại, xong với mọi hệ thống thực đều bị hạn
chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc.
Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố, đáp
ứng ra bớt nhấp nhô và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn.
Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu điểm

của khâu PD và khâu PI, có khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt,
khử chậm pha. Sự có mặt của khâu PID có thể dẫn đến sự dao động
của hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi hàm dirac δ(t). Các bộ hiệu
chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp dưới dạng
thiết bị điều khiển hay thuật tốn phần mềm.
Vai trị của từng khâu hiệu chỉnh trong bộ điều khiển PID:
Khâu khuếch đại tỉ lệ KP:
•
•
•

Khi Kp tăng, sai số xác lập giảm
Vọt lố tăng
Thời gian lên nhanh
Khâu tích phân tỉ lệ KI:

•
•

Khi KI tăng sai lệch tĩnh giảm (triệt tiêu - vô sai với hàm nấc)
Đáp ứng chậm
Khâu vi phân tỉ lệ KD:

•
•

Khi KD tăng, độ vọt lố giảm
Đáp ứng nhanh, bớt nhấp nhô (dao động)

22

5. Bộ nghịch lưu ba pha
5.1 Giới thiệu phương pháp PWM điều khiển bộ nghịch lưu

Hình 5.1: Sơ đồ bộ nghịch lưu 3 pha
Bộ nghịch lưu 3 pha là bộ biến đổi điện áp 1 chiều (DC) thành
điện áp ra xoay chiều (AC) 3 pha
Với phương pháp điều khiển điều rộng xung PWM ( Pulse-width
modulation) thì biên độ và tần số của sóng ngõ ra có thể thay đổi
được
Mơ tả mạch:
• Phần cứng: mạch gồm nguồn tín hiệu đầu vào DC ( U) cung cấp
cho bộ nghịch lưu; 6 cặp khóa bán dẫn mắc đối song với nhau
S1_D1, S2_D2,.., S6_D6; tải 3 pha cân bằng đấu sao hoặc tam
giác. Điểm O là điểm giữa của nguồn một chiều U có thể không
tồn tại thực tế và chỉ sử dụng cho việc phân tích mạch.
23


•

Phần điều khiển: gồm sóng mang ( thường là xung tam giác có
tần số rất lớn) và 3 sóng điều khiển v control,A , vcontrol,B và

vcontrol,C

đặt

lệch pha nhau 1 góc 120 o từng đôi 1, tương ứng cho từng nhánh

nghịch lưu A, B và C
Nếu các sóng điều khiển dạng hình sin thì kiểu điều chế này
được gọi là Sine-PWM
5.2 Nguyên lý hoạt động

Các bộ nghịch lưu áp được điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế
độ rộng xung PWM và qui tắc kích đối nghịch. Qui tắc này đảm bảo
dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng cơng tắc và
kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh
hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện phía tải.
Mạch hoạt động dựa trên nguyên lý so sánh sóng điều khiển và
sóng mang

Hình 5.2: Giản đồ tín hiệu điện áp của sóng điều khiển và sóng
mang
Xét nhánh A:

Xét nhánh B:

24


Xét nhánh C:

Hình 5.3: Giản đồ điện áp pha bộ nghịch lưu
Vtri

Xét vAN:

Xét vBN:

Xét vCN:

Khi đó ta có VAB = VAN – VBN và có đồ thị dạng sóng như hình
trên, tương tự cho VBC và VCA .

25