(Luận văn thạc sĩ hcmute) điều khiển động cơ không đồng bộ dùng phương pháp điều khiển truợt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐẶNG THANH HUY

ÐIỀU KHIỂN ÐỘNG CƠ KHÔNG ÐỒNG BỘ DÙNG
PHƯƠNG PHÁP ÐIỀU KHIỂN TRƯỢT

NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 8 3 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐẶNG THANH HUY

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016

Luan van


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Đặng Thanh Huy

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 17/04/1991

Nơi sinh: Tiền Giang

Quê quán: Tiền Giang

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 148/7, đường Lã Xuân Oai, phường Tăng Nhơn Phú A, Q.9, TP.HCM
Điện thoại: 0945898711

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học phổ thơng:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 08/2006 đến 06/2009

Nơi học (trường, thành phố): THPT Long Bình, Tiền Giang
2. Cao đẳng:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 08/2009 đến 08/2012

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Tiền Giang, Tiền Giang
Ngành học: Kỹ Thuật Điện – Điện Tử
Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi cơng robot dị đường tốc độ cao
Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 06/08/2012, Đại học Tiền Giang
Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Hoàng Phương
3. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2012 đến 02/2014

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, TP.HCM
Ngành học: Điện Công Nghiệp
Tên đồ án tốt nghiệp:
Kiểm tốn năng lượng cho cơng ty cổ phần cơng nghiệp chính xác Việt Nam
Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 14/02/2014, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Ngọc Âu
4. Sau đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 08/2014 đến nay

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, TP.HCM

Ngành học: Kỹ Thuật Điện

i

Luan van


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã
được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016
Tác giả luận văn

Đặng Thanh Huy

ii

Luan van


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Dương Hoài Nghĩa, giảng
viên trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, người đã hướng dẫn tận
tình trong suốt thời gian tơi thực hiện luận văn. Những gợi ý đúng lúc hết sức quý
báu cùng những ý kiến phản biện sâu sắc của thầy đã giúp tơi nhận thức, định
hướng đúng và hồn thiện nghiên cứu của mình.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cơ Khoa Điện – Điện Tử trường Đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho tôi những kiến thức nền

tảng hết sức quý báu trong thời gian tơi học cao học, cũng như những góp ý khoa
học và những phản biện thẳng thắn của các giảng viên phản biện trong khi tôi thực
hiện luận văn là những cơ sở hết sức có giá trị giúp tơi hồn chỉnh luận văn của
mình.
Xin cảm ơn gia đình đã cùng chia sẻ trong những ngày khó khăn nhất cả về
vật chất và tinh thần để tơi có thể yên tâm thực hiện luận văn này.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện
giúp đỡ tơi trong suốt q trình tôi thực hiện luận văn.
Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng luận văn khơng tránh khỏi những thiếu xót.
Tác giả rất mong được sự góp ý của quý thầy cơ và các bạn.
Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn!
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016
Tác giả luận văn

Đặng Thanh Huy

iii

Luan van


ABSTRACT
This thesis presents a sliding mode controller for induction motors. The
controller is developed in the dq co-ordinates. It is designed with two loops: In the
inner loop, the rotor flux and the motor torque are regulated around the reference
values by a multi input multi output (MIMO) sliding mode controller. This thesis
proposed using saturation function instead of sign function in the expression
determined control law. This controller yields quick response of rotor flux and
motor torque. Moreover, it provides a mean to cope with the model uncertainty. The
stability robustness conditions of the controller are carried out to cope with the

change in motor parameters (rotor and stator resistances, inductances, rotor inertia).
In the outer loop, the rotor speed is controlled by a PI controller. Simulation results
show that the proposed controller has good performance (quick response, low
steady state error) and is robust against model uncertainty.

TÓM TẮT
Luận văn này giới thiệu một bộ điều khiển trượt cho động cơ không đồng bộ.
Bộ điều khiển được phát triển dưới hệ tọa độ dq. Nó được thiết kế bao gồm 2 vịng:
Ở vịng trong, từ thơng rotor và mơ-men động cơ được điều khiển quanh giá trị đặt
bởi bộ điều khiển trượt nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra (MIMO). Luận văn này đề xuất
sử dụng hàm saturation thay cho hàm sign trong biểu thức xác định luật điều khiển.
Ưu điểm của bộ điều khiển này là cho đáp ứng nhanh từ thơng rotor và mơ-men
động cơ. Ngồi ra, phương pháp này cịn cho phép tính đến ảnh hưởng của sai số
mơ hình. Các điều kiện ổn định bền vững được thực hiện nhằm chống lại sự thay
đổi trong thông số động cơ (điện trở rotor và stator, hệ số tự cảm, qn tính rotor).
Ở vịng ngồi, tốc độ rotor được chỉnh định bởi bộ điều khiển PI. Kết quả mô phỏng
cho thấy hệ thống được đề xuất có chất lượng tốt (đáp ứng nhanh, sai số xác lập
nhỏ) và bền vững với sai số mơ hình.

iv

Luan van


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân ............................................................................................................. i
Lời cam đoan ...............................................................................................................ii
Lời cảm ơn ................................................................................................................ iii
Tóm tắt ....................................................................................................................... iv
Mục lục ........................................................................................................................ v
Danh sách các chữ viết tắt ....................................................................................... viii
Danh sách các hình..................................................................................................... ix
Danh sách các bảng ...................................................................................................xii
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 1
1.1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 1
1.2. Tình hình nghiên cứu ........................................................................................ 2
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ ....................................................................................... 3
1.4. Giới hạn đề tài................................................................................................... 3
1.5. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 4
1.6. Nội dung luận văn ............................................................................................. 4
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 5
2.1. Vector không gian của các đại lượng ba pha .................................................... 5
2.1.1. Hệ trục tọa độ stator cố định (α, β) ................................................................ 6
2.1.1.1. Chuyển hệ tọa độ (a, , c )
2.1.1.2. Chuyển hệ tọa độ (α, β)

(α, β) (Ph p iến đổi Clark-thuận) ............. 7
(a, , c) (ph p iến đổi Clark ngược).............. 8

2.1.2. Hệ trục tọa độ quay (d, q) .............................................................................. 8
2.1.2.1. Chuyển hệ tọa độ (α, β)

( , q) (ph p iến đổi Park thuận) .................... 9

2.1.2.2. Chuyển hệ tọa độ ( , q)

(α, β) (ph p iến đổi Park ngược) ................... 9

2.2. Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB ............................................................. 8
2.2.1. Phương pháp điều khiển tuyến tính hóa vào ra
(Input Output Linearization) .................................................................................. 10

v

Luan van


2.2.2. Phương pháp điều khiển định hướng trường
(Field Orient Control – FOC) ................................................................................ 12
2.2.3. Phương pháp điều khiển mô-men trực tiếp
(Direct Torque Control – DTC) ............................................................................. 14
2.2.4. Phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control – SMC) .................. 22
2.2.4.1. Đối tượng điều khiển ................................................................................ 22
2.2.4.2. Mặt trượt (sliding surface) ........................................................................ 23
2.2.4.3. Luật điều khiển trượt kinh điển ................................................................ 24
2.2.4.4. Điều khiển trượt cho hệ thống MIMO ...................................................... 26
2.2.4.5. Đặc điểm của điều khiển trượt .................................................................. 27
Chƣơng 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............................................ 29
3.1. Mơ hình ĐCKĐB ............................................................................................ 29
3.1.1. Hệ phương trình cơ ản của động cơ trên hệ tọa độ dq ............................... 31
3.1.2. Mơ hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor ..................... 32
3.2. Thiết kế bộ điều khiển trượt ........................................................................... 35
3.2.1. Bộ quan sát trượt .......................................................................................... 35
3.2.2. Hệ thống điều khiển trượt ĐCKĐB ............................................................. 36
3.2.2.1. Điều khiển vòng trong .............................................................................. 37

3.2.2.2. Điều khiển vịng ngồi .............................................................................. 39
3.3. Xây dựng bộ ước lượng .................................................................................. 41
3.3.1. Ước lượng từ thông rotor  và mô-men động cơ Te .................................... 40
3.3.2. Ước lượng s ............................................................................................... 41
3.4. Khối chuyển đổi òng điện is_dq sang is_abc ..................................................... 42
Chƣơng 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ...................................................................... 43
4.1. Hệ thống điều khiển trượt ............................................................................... 43
4.1.1. Mơ hình mơ phỏng....................................................................................... 43
4.1.1.1. Mơ hình hóa ĐCKĐB ............................................................................... 44
4.1.1.2. Mơ hình hóa bộ điều khiển trượt .............................................................. 44
4.1.1.3. Mơ hình hóa bộ chuyển đổi is_dq  is_abc .................................................. 46

vi

Luan van


4.1.2. Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 46
4.1.2.1. Đáp ứng anh định.................................................................................... 46
4.1.2.2. Khảo sát tính bền vững của hệ thống đối với sự biến thiên của điện trở
stator và rotor ......................................................................................................... 49
4.1.2.3. Khảo sát tính bền vững của hệ thống đối với sự biến thiên
của điện cảm .......................................................................................................... 51
4.1.2.4. Khảo sát tính bền vững của hệ thống đối với sự thay đổi của mơ-men
qn tính của động cơ ............................................................................................ 54
4.1.2.5. Khảo sát tính bền vững của hệ thống đối với sự biến thiên của các hệ số
KP, KI ..................................................................................................................... 56
4.1.2.6. Khảo sát tính bền vững của hệ thống đối với sự biến thiên của các hệ số
hiệu chỉnh k1, k2 .................................................................................................... 57
4.2. Hệ thống điều khiển trượt khi có khâu ước lượng từ thơng và mơ-men ........ 60

4.2.1. Mơ hình mơ phỏng....................................................................................... 60
4.2.1.1. Mơ hình hóa bộ điều khiển trượt .............................................................. 61
4.2.1.2. Mơ hình hóa bộ ước lượng ....................................................................... 63
4.2.2. Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 63
4.3. So sánh với các phương pháp điều khiển khác ............................................... 68
4.3.1. So sánh đáp ứng của luận văn (a) với mơ hình “Điều khiển trượt mô-men
ĐCKĐB” của Đỗ Thị Hồng Thắm (b) ................................................................... 68
4.3.2. So sánh đáp ứng của luận văn (a) với đáp ứng phương pháp điều khiển
định hướng trường (b)............................................................................................ 72
Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 75
5.1. Kết luận ........................................................................................................... 75
5.2. Kiến nghị......................................................................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 76
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 78

vii

Luan van


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ĐCKĐB: động cơ không đồng ộ
FOC (Field Oriented Control): điều khiển định hướng trường
DTC (Direct Torque Control): điều khiển mô-men trực tiếp
PBC (Passivity Based Control): điều khiển dựa vào tính thụ động
IOL (Input Output Linearization): điều khiển tuyến tính hóa vào ra
SMC (Sliding Mode Control): điều khiển trượt
DRFOC (Direct Rotor Field Oriented Control): điều khiển định hướng từ thông
rotor trực tiếp
IRFOC (Indirect Rotor Field Oriented Control): điều khiển định hướng từ thông

rotor gián tiếp
DTC – SVM (Space Vector Modulated – Direct Torque Controlled): điều khiển
mô-men trực tiếp – điều chế vector không gian
SFOC (Stator Field Oriented Control): điều khiển định hướng trường stator
MIMO (Multi Input Multi Output): nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra
MRAS (Model Reference Adaptive Systems): mơ hình tham chiếu thích nghi
Sliding surface: mặt trượt

viii

Luan van


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Sơ đồ cuộn dây và dịng stator của ĐCKĐB a pha .................................. 5
Hình 2.2: Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha ...................................... 6
Hình 2.3: Biểu diễn ịng điện stator ưới dạng vector không gian với các phần tử
is và is thuộc hệ tọa độ stator cố định ....................................................................... 7
Hình 2.4: Biểu diễn vectơ không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor (d, q) ................ 8
Hình 2.5: Cấu trúc cơ ản của phương pháp FOC ................................................... 13
Hình 2.6: Các Sector trong phương pháp DTC cổ điển ........................................... 16
Hình 2.7: Lựa chọn vector điện áp tối ưu cho vector từ thông stator trong
Sector 1 ...................................................................................................................... 17
Hình 2.8: Bộ so sánh dãy trễ 2 mức ......................................................................... 18
Hình 2.9: Bộ so sánh dãy trễ 3 mức ......................................................................... 19
Hình 2.10: Mơ hình bộ điều khiển DTC đơn giản ................................................... 21

Hình 3.1: Mơ hình đơn giản của ĐCKĐB a pha rotor lồng sóc............................. 29
Hình 3.2: Mơ hình ĐCKĐB a pha rotor lồng sóc trên hệ tọa độ từ thơng rotor .... 35
Hình 3.3: Sơ đồ khối bộ điều khiển trượt ĐCKĐB.................................................. 36
Hình 3.4: Sơ đồ điều khiển PID ............................................................................... 40
Hình 4.1: Mơ hình mơ phỏng điều khiển trượt ĐCKĐB ằng Matlab khi
không ước lượng từ thông và mơ-men ...................................................................... 43
Hình 4.2: Mơ hình hóa ĐCKĐB trên Simulink ....................................................... 44
Hình 4.3: Mơ hình bộ điều khiển trượt trên Simulink ............................................. 45
Hình 4.4: Mơ hình bộ chuyển đổi tọa độ dịng stator is_dq  is_abc .......................... 46
Hình 4.5: Đáp ứng mơ-men của động cơ ................................................................. 47
Hình 4.6: Đáp ứng tốc độ của động cơ..................................................................... 47
Hình 4.7: Đáp ứng từ thơng stator của động cơ ....................................................... 47
Hình 4.8: Đáp ứng òng điện stator ba pha của động cơ ......................................... 47
Hình 4.9: Đáp ứng òng điện stator ba pha của động cơ được phóng đại ............... 48

ix

Luan van


Hình 4.10: Đáp ứng của mặt trượt từ thơng ............................................................. 48
Hình 4.11: Đáp ứng của mặt trượt mơ-men ............................................................. 48
Hình 4.12: Đáp ứng sai số từ thơng ......................................................................... 49
Hình 4.13: Đáp ứng hệ thống với điện trở khảo sát = 150% anh định .................. 50
Hình 4.14: Đáp ứng hệ thống với điện cảm khảo sát = 150% anh định ................ 52
Hình 4.15: Đáp ứng hệ thống với điện cảm khảo sát = 80% anh định .................. 53
Hình 4.16: Đáp ứng hệ thống với mô-men khảo sát = 300% anh định.................. 55
Hình 4.17: Quá trình xác định KP, KI ....................................................................... 56
Hình 4.18: Đáp ứng hệ thống với k1, k2 khảo sát = 300% anh định ...................... 58
Hình 4.19: Đáp ứng hệ thống với k1, k2 khảo sát = 50% anh định ........................ 59

Hình 4.20: Mơ hình mơ phỏng điều khiển trượt ĐCKĐB ằng Matlab có khâu
ước lượng từ thơng và mơ-men ................................................................................. 61
Hình 4.21: Mơ hình bộ điều khiển trượt trên Simulink ........................................... 62
Hình 4.22: Mơ hình hóa bộ ước lượng trên Simulink .............................................. 63
Hình 4.23: Đáp ứng mơ-men của động cơ trước (a) và sau khi (b)
có bộ ước lượng......................................................................................................... 64
Hình 4.24: Đáp ứng tốc độ của động cơ trước (a) và sau khi (b)
có bộ ước lượng......................................................................................................... 64
Hình 4.25: Đáp ứng từ thông của động cơ trước (a) và sau khi (b)
có bộ ước lượng......................................................................................................... 65
Hình 4.26: Đáp ứng òng điện stator ba pha của động cơ với bộ ước lượng .......... 65
Hình 4.27: Đáp ứng ịng điện stator ba pha của động cơ được phóng đại ............. 66
Hình 4.28: Đáp ứng của mặt trượt từ thông với bộ ước lượng ................................ 66
Hình 4.29: Đáp ứng của mặt trượt mơ-men với bộ ước lượng ................................ 66
Hình 4.30: Đáp ứng của Teu so với Tref .................................................................... 67
Hình 4.31: Đáp ứng của Fir so với Firu ..................................................................... 67
Hình 4.32: So sánh đáp ứng mơ-men ....................................................................... 68
Hình 4.33: So sánh đáp ứng tốc độ .......................................................................... 68
Hình 4.34: So sánh đáp ứng từ thông ....................................................................... 69

x

Luan van


Hình 4.35: So sánh đáp ứng điện áp us_dq ................................................................ 69
Hình 4.36: So sánh đáp ứng ịng điện is_dq ............................................................. 70
Hình 4.37: So sánh đáp ứng mặt trượt từ thơng ...................................................... 70
Hình 4.38: So sánh đáp ứng mặt trượt mơmen ........................................................ 71
Hình 4.39: So sánh đáp ứng mơ-men ....................................................................... 72

Hình 4.40: So sánh đáp ứng tốc độ .......................................................................... 72
Hình 4.41: So sánh đáp ứng từ thơng ....................................................................... 73
Hình 4.42: So sánh đáp ứng điện áp us_dq ................................................................ 73
Hình 4.43: So sánh đáp ứng òng điện is_dq ............................................................. 74

xi

Luan van


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Bảng lựa chọn điện áp theo sự tăng giảm từ thông stator
và mô-men ................................................................................................................. 18
Bảng 2.2: Bảng lựa chọn điện áp theo bộ so sánh dãy trễ ........................................ 20

xii

Luan van


Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của khoa học cơng nghệ, tự động hóa ngày càng phát
triển và ứng ụng trong hầu hết các ngành công nghiệp. Sự phát triển của đất nước

và yêu cầu mở rộng, nâng cao chất lượng sản xuất cũng thúc đẩy sự phát triển của
ngành tự động hóa lên một tầm cao mới. Do đó động cơ điện đóng vai trò rất quan
trọng trong các ngành sản xuất cũng như đời sống. Vì vậy các loại động cơ điện
được chế tạo ngày càng hồn thiện hơn, trong đó động cơ không đồng ộ (ĐCKĐB)
chiếm tỉ lệ lớn trong các ngành cơng nghiệp o ĐCKĐB a pha có nhiều ưu điểm
như khởi động ễ àng, giá thành rẻ, vận hành êm, kích thước nhỏ gọn, làm việc
chắc chắn, đặc tính làm việc tốt, ảo trì đơn giản, chi phí vận hành và ảo trì thấp.
Tuy vậy, nó có nhược điểm là đặc tính phi tuyến mạnh nên trước đây với các
phương pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải nhường chỗ cho động
cơ điện một chiều và không được ứng ụng nhiều.
Điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến đơn giản hiệu quả,
dựa vào hồi tiếp các biến trạng thái của hệ thống. Bộ điều khiển được thiết kế sao
cho quỹ đạo pha của hệ thống luôn hướng về một mặt phẳng trượt. Một khi quỹ đạo
pha đã nằm trên mặt trượt thì chúng sẽ tiến về vị trí mong muốn. Vì vậy bài tốn
điều khiển chuyển thành điều khiển ổn định hóa hàm trượt S.
Điều khiển trượt có hai thành phần là thành phần điều khiển tương đương và
thành phần điều khiển bền vững. Thành phần điều khiển bền vững mà trong nhiều
tài liệu còn gọi là thành phần điều khiển hiệu chỉnh có nhiệm vụ chính là điều khiển
quỹ đạo các trạng thái hướng về mặt trượt. Khi quỹ đạo pha đã ở lân cận mặt trượt
thì thành phần điều khiển tương đương có tác ụng điều khiển các trạng thái bám
chặt trên mặt trượt. Để thiết kế thành phần điều khiển tương đương trong điều khiển
trượt cần phải biết rõ mô hình đối tượng và để thiết kế thành phần điều khiển bền
vững trong điều khiển trượt thì cần phải biết các chặn trên của các thành phần bất

1

Luan van


định của mơ hình. Trong đó các ạng của thành phần bất định của hệ thống bao

gồm: nhiễu ảnh hưởng lên hệ thống, nhiễu đo đạc và sai số mô hình do các thơng số
của đối tượng biến thiên theo thời gian. [1]
Đề tài này nghiên cứu lý thuyết “Điều khiển động cơ không đồng bộ dùng
phƣơng pháp điều khiển trƣợt”. Nội dung nghiên cứu của đề tài theo hướng xoay
quanh những vấn đề đang được quan tâm nghiên cứu trong nước và trên thế giới.
1.2. Tình hình nghiên cứu
Điều khiển tốc độ và mô-men ĐCKĐB là vấn đề được quan tâm từ rất lâu, có
rất nhiều phương pháp đề ra nhằm mục đích giải quyết vấn đề này như điều khiển tỉ
lệ (V/f) không đổi, điều khiển điện áp, điều khiển điện trở rotor, điều khiển tần
số,… các phương pháp này thu lại những kết quả không cao. [2] Điều khiển tốc độ
động cơ AC được ứng dụng từ những năm 1990 và ngày càng chiếm vị trí nhiều
hơn điều khiển tốc độ động cơ DC. Ngày nay với sự phát triển rất mạnh mẽ về công
nghệ chế tạo bán dẫn, những tiến bộ về vi điều khiển cùng với việc đẩy mạnh
nghiên cứu của các nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới đã tạo điều kiện cho
các ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ không ngừng phát triển. Ta có thể kể đến
một số cơng trình nghiên cứu tiêu biểu như sau:
- Điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control - FOC) [3, 4, 5]
- Điều khiển mô-men trực tiếp (Direct Torque Control - DTC) [6, 7]
- Điều khiển dựa vào tính thụ động (Passivity Based Control - PBC) [8]
- Điều khiển tuyến tính hóa vào ra (Input Output Linearization - IOL) [9]
- Điều khiển dùng logic mờ và mạng nơron [10, 11]
- Điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]
Năm 2007, học viên Đỗ Thị Hồng Thắm của trường Đại học Bách Khoa
Thành Phố Hồ Chí Minh thực hiện đề tài “Điều khiển trƣợt mô-men động cơ
không đồng bộ” được thực hiện trên hệ tọa độ dq ưới sự hướng dẫn của PGS.TS
Dương Hoài Nghĩa.

2

Luan van

 Ƣu điểm
- Thời gian đáp ứng nhanh.
- Quá trình q độ khơng có vọt lố, khơng có ao động.
- Sai số xác lập tốc độ bằng không.
- Bộ điều khiển có chất lượng anh định cao.
 Nhƣợc điểm
- Xuất hiện hiện tượng ao động quanh mặt trượt (hiện tượng Chattering).
Năm 2009, nhóm tác giả Dương Hồi Nghĩa, Nguyễn Văn Nhờ, Nguyễn Xuân
Bắc của trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
thực hiện cơng trình nghiên cứu “Điều khiển trƣợt động cơ khơng đồng bộ ba
pha nuôi bởi bộ nghịch lƣu áp ba mức” được thực hiện trên hệ tọa độ . Ở cơng
trình này, hiện tượng ao động quanh mặt trượt được khắc phục bằng cách thay thế
hàm dấu (hàm signum) bởi hàm bão hòa (hàm saturation).
Ở đề tài này, tác giả đã thừa hưởng các ưu điểm từ cơng trình nghiên cứu của
tác giả Đỗ Thị Hồng Thắm và khắc phục nhược điểm bằng cách thay thế hàm dấu
(hàm signum) bởi hàm bão hòa (hàm saturation).
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ
Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu phương pháp điều khiển trượt ùng để
điều khiển ĐCKĐB a pha rotor lồng sóc. Các nhiệm vụ cụ thể ao gồm:
- Lập mơ hình ĐCKĐB a pha rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq.
- Nghiên cứu giải thuật điều khiển ĐCKĐB ùng phương pháp điều khiển
trượt (SMC).
- Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng Matlab/Simulink.
- Từ kết quả mô phỏng so sánh với các phương pháp điều khiển khác và các
cơng trình nghiên cứu có liên quan để nêu lên các kết quả đạt được.
1.4. Giới hạn đề tài
Nghiên cứu lý thuyết điều khiển ĐCKĐB a pha rotor lồng sóc bằng phương
pháp điều khiển trượt.

3

Luan van


1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết.
- Phương pháp mơ hình hóa và mô phỏng.
1.6. Nội dung luận văn
Luận văn gồm năm chương chính với các nội ung như sau:
Chương một là chương tổng quan về điều khiển trượt, mục tiêu cũng như
phương pháp nghiên cứu của luận văn.
Chương hai giới thiệu một số phương pháp điều khiển ĐCKĐB được áp ụng
trong những năm gần đây. Đồng thời chương này cịn trình ày cơ sở lý thuyết về
mơ hình ĐCKĐB.
Chương a tập trung thiết kế ộ điều khiển trượt.
Chương ốn ứng ụng các cơ sở lý thuyết vào xây ựng mơ hình mơ phỏng
ĐCKĐB ùng phương pháp điều khiển trượt ằng Matla . Chương này còn so sánh
khác iệt và các kết quả đạt được của phương pháp điều khiển trượt so với các
phương pháp điều khiển động cơ khác từ đó rút ra nhận x t và đánh giá kết quả.
Chương năm là phần kết luận trình ày các kết quả đạt được của luận văn và
nêu một số tồn tại cũng như phương hướng khắc phục.

4

Luan van


Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Vector không gian của các đại lƣợng ba pha
ĐCKĐB a pha đều có a cuộn ây stator với ịng điện a pha ố trí khơng
gian tổng quát như Hình 2.1.

Hình 2.1: Sơ đồ cuộn ây và ịng stator của ĐCKĐB a pha [2]
Trong hình trên, ta khơng quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác.
Ba òng điện isa, isb, isc là a òng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ. Khi động
cơ chạy ằng iến tần thì đó là a òng ở đầu ra của iến tần.
Giả thuyết các òng isa, isb, isc ở a pha ây quấn stator là cân ằng, ta có:
isa(t) + isb(t) + isc(t) = 0

(2.1)

Trong đó từng ịng điện pha thỏa mãn các cơng thức sau:
isa t   is cos s t 

isb t   is cos s t  120

isc t   is cos s t  240

(2.2)

Về phương iện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), ĐCKĐB a pha có a
cuộn ây lệch nhau một góc 120. Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ tọa độ

5

Luan van

phức với trục thực đi qua trục cuộn ây pha a của động cơ, ta có thể xây ựng
vector khơng gian sau đây:
i s t  





2
isa t   isb t e j120  isc t e j 240  i s e j
3

(2.3)

Trong công thức (2.3), vector i s t  là vector có mo ul khơng đổi quay trên mặt
phẳng phức với tốc độ góc s = 2fs và tạo với trục thực một góc  = st. Trong đó
fs là tần số mạch stator. Việc xây ựng vector i s t  được mô tả trong Hình 2.2.

Hình 2.2: Thiết lập vector khơng gian từ các đại lượng pha [19, 20]
Qua Hình 2.2 ta có thể thấy rằng các ịng điện của từng pha chính là hình
chiếu của vector mới thu được lên trục của cuộn ây pha tương ứng. Đối với các đại
lượng như: điện áp, ịng rotor, từ thơng stator hoặc từ thơng rotor của động cơ ta
có thể xây ựng vector khơng gian tương tự như vectơ khơng gian ịng stator.
2.1.1. Hệ trục tọa độ stator cố định (α, β)
Vectơ không gian được định nghĩa như iểu thức (2.3) có thể được iểu iễn
ằng cách sử ụng lý thuyết hệ trục tọa độ trực giao. Phần thực của vectơ không
gian ằng thành phần òng stator ọc trục ( irect axis - isα) và phần ảo ằng thành
phần òng stator ngang trục (qua rature axis - isβ). Hệ tọa độ này gọi là hệ tọa độ

stator cố định (hệ tọa độ α, β). Vì vậy, vectơ khơng gian ịng stator trong hệ qui
chiếu tĩnh gắn với stator có thể được iểu iễn:
i s = isα + jisβ

(2.4)

6

Luan van


Trong đó:

is

: vectơ khơng gian ịng stator

isα, isβ: hình chiếu của i s trên trục (α, β)

Hình 2.3: Biểu iễn òng điện stator ưới ạng vector không gian với các phần tử
is và is thuộc hệ tọa độ stator cố định
Bằng cách thực hiện tương tự như đối với vector òng stator, các vector điện
áp stator u s , dòng rotor i r , từ thông stator  s hoặc từ thơng rotor  r đều có thể được
iểu iễn ởi các phần tử thuộc hệ tọa độ stator. [19, 20]
2.1.1.1. Chuyển hệ tọa độ (a, b, c )

(α, β) ( h p biến đổi Clark thuận)

Trong máy điện a pha đối xứng, òng điện stator ọc trục và ngang trục là
các thành phần òng ảo (2 pha ọc trục), có liên hệ với ịng điện stator a pha thực

như sau:
1
1

is  k (isa  2 isb  2 isc )

i  k 3 (i  i )
sb
sc
 s
2

(2.5)

2
3

Với k là hằng số biến đổi (đối với phép biến đổi bảo toàn năng lượng k  ).
Trong trường hợp này thành phần òng stator ọc trục trùng với trục cuộn ây
pha u của động cơ nên isa = isα.

7

Luan van


Nếu giả thuyết isa + isb + isc = 0, thành phần ịng stator ngang trục có thể được
biểu iễn ằng cách sử ụng hai pha của hệ a pha (ph p iến đổi Clark thuận):
is  isa


1

is  3 (isa  2isb )


2.1.1.2. Chuyển hệ tọa độ (α, β)

(2.6)

(a, b, c) (ph p biến đổi Clark ngƣợc)

Ph p iến đổi Clark ngược được sử ụng để chuyển hệ tọa độ từ (α, β) sang hệ
tọa độ (a, b, c). Ph p iến đổi được thực hiện như sau: [2]

isa  is

1
3

i s
isb   is 
2
2


1
3
i s
isc   is 
2

2


(2.7)

2.1.2. Hệ trục tọa độ quay (d, q)
Trong mặt phẳng của hệ tọa độ (α, β), ta xây ựng một hệ tọa độ mới có trục
hồnh

và trục tung q có chung điểm gốc với hệ tọa độ (α, β), nằm lệch đi một góc

θs và quay với tốc độ  s  2f s 

d s
. Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector
dt

không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này. Mối liên hệ giữa hai hệ tọa độ sẽ được
mơ tả ở Hình 2.4.

Hình 2.4: Biểu iễn vectơ khơng gian trên hệ tọa độ từ thông rotor ( , q)

8

Luan van


Do các vector i s và  r cũng như ản thân hệ tọa độ q quay đồng bộ với nhau
với tốc độ góc s quanh điểm gốc, các phần tử vector như: isd, isq,… là các đại
lượng một chiều. Trong chế độ vận hành xác lập, các phần tử đó thậm chí có thể là

khơng đổi. Trong q trình quá độ, chúng có thể biến thiên theo một thuật toán điều
khiển đã định trước.
f

Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq, rq = 0 do vng góc với vector  r (vector từ
thông rotor quan sát trên hệ tọa độ dq trùng với trục d) nên 
2.1.2.1. Chuyển hệ tọa độ (α, β)

f
r

  rd .

(d, q) (ph p biến đổi Park thuận)


isd  is . cos  s  is .sin  s


isq  is .sin  s  is . cos  s

2.1.2.2. Chuyển hệ tọa độ (d, q)

(2.8)

(α, β) (ph p biến đổi Park ngƣợc)

is  isd . cos  s  isq .sin  s




is  isd .sin  s  isq . cos  s

(2.9)

2.2. Các phƣơng pháp điều khiển ĐCKĐB
Trên thực tế, có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB có thể chia làm
hai loại:
- Điều khiển vô hướng:
+ Điều khiển điện áp stator.
+ Điều khiển tần số.
+ Điều khiển điện trở rotor.
- Điều khiển vector:
+ Điều khiển định hướng trường.
+ Điều khiển mô-men trực tiếp [6]….
Trong chương này, tác giả chỉ giới thiệu sơ lược về nguyên tắc điều khiển
chung của một vài phương pháp điều khiển ĐCKĐB đã và đang được sử dụng phổ
biến trong những năm gần đây.

9

Luan van


2.2.1.

hƣơng pháp điều khiển tuyến tính hóa vào ra (Input Output

Linearization) [21]
X t đối tượng điều khiển

 x  f ( x)  g ( x)u
 y  h( x )

H: 

(2.10)

x, f(x), g(x) – các vector nx1
– một hàm vô hướng của vector x

h(x)
 Định nghĩa

Đạo hàm Lie theo phương f(x) của hàm vô hướng h(x) là một vô hướng, ký
hiệu Lfh(x), và được định nghĩa như sau:
h
f x 
x

L f h x  

(2.11)

Đạo hàm Lie bậc n được định nghĩa một cách đệ quy như sau:
Lfn hx  



 f x 

 Lfn1hx 
x

với:

L0f hx   hx 

Ta cũng có:

L f L g h x  

(2.12)
(2.13)



 f x 

 L g h x 
x

(2.14)

 Luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa
Ta có:
y 

h
h
h

x 
f x   g x u  L f hx   Lg hx u
x
x
x

nếu Lgh(x) = 0  y  L f hx 
 y 

L f hx 
x

x 

L f hx 
x

f x  

L f hx 
x

g x u

 L2f hx   Lg L f hx u

nếu LgLfh(x) = 0  y  L2f hx 
 y 

L2f hx 

x

x 

L2f hx 
x

f x  

10

Luan van

L2f hx 
x

g x u


 L3f hx   Lg L2f hx u

nếu Lg L2f hx  = 0  y  L3f hx 
 Định nghĩa
Hệ thống (2.10) có bậc tương đối p nếu và chỉ nếu hai điều kiện sau thỏa mãn

và

Lg hx   Lg L f hx   Lg L2f hx   ...  Lg Lfp2 hx   0

(2.15)

Lg Lfp1hx   0

(2.16)

Nếu (2.15) và (2.16) thỏa mãn, ta có
y  p   Lfp hx   Lg Lfp1hx u

(2.17)

Luật điều khiển tuyến tính hóa hệ thống (2.8) được xác định bởi

 v  L hx



u  Lg Lfp1hx 

1

p
f

(2.18)

Thay u ở (2.18) vào (2.17) ta được hệ thống tuyến tính hóa
y(p) = v

(2.19)

Hệ thống (2.19) có bậc bằng bậc tương đối p của hệ thống (2.10). Như vậy sau
khi áp dụng luật điều khiển (2.18) ta có n - p biến trạng thái khơng quan sát được. Ta
chỉ có thể áp dụng luật điều khiển (2.18) nếu các biến trạng thái này bị chặn trong quá
trình làm việc của hệ thống.
 Luật điều khiển tuyến tính
Định nghĩa tín hiệu sai lệch:
e(t) = r(t) - y(t)
Để tín hiệu ra y(t) bám theo tín hiệu đặt r(t), xác định luật điều khiển v(t) sao cho
phương trình vi phân sau có phương trình đặc trưng Hurwitz
e(p) + a1e(p-1) + a2e(p-2) + … + ap-1e = 0
Từ (2.19), ta có:
r  p   v  a1e  p1  a2 e p2   ...  a p1e  0

 v(t )  r  p   a1e p1  a2 e p2   ...  a p1e
Kết hợp với (2.18) ta được luật điều khiển tổng hợp sau:



 r    a e

u  Lg Lfp1hx 

1

p

p 1

1

11

Luan van



 a2 e p2   ...  a p1e  Lfp hx 