xây dựng bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ dị bộ xoay chiều ba pha

Lời mở đầu
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và khoa học kỹ thuật đã
góp phần không nhỏ vào công nghiệp hóa hiện đại hóa và đã đi sâu vào tất cả các
lĩnh vực của đời sồng và xã hội, ở những đâu cần đòi hỏi tự động hóa, giảm thiểu
sự có mặt không cần thiết của con người cũng như những nơi con người không thể
có mặt ở đó thường xuyên để điều khiển do môi trường, do những hoàn cảnh không
có lợi tác động hay cúng chính do thời gian, sức khỏe không cho phép.
Một trong những khía cạnh của trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống đặt
ra là cần điều khiển tự động vị trí của xe là một yêu rất quan trọng, nó không những
giảm sự có mặt không cần thiết của con người mà còn khắc phục nhừng ngoại cảnh
tác động nên vị trí của xe khi không có mặt của người điều khiển.
Với yêu cầu đặt ra là xây dựng bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ dị bộ
xoay chiều ba pha là một trong những bộ phần quan trọng nhất của toàn hệ thống.
Đây cũng chính là nhiệm vụ của của em trong lần nhận đồ án lần này.
Vì trình độ và thời gian có hạn, chắc chắn đề tài còn nhiều thiếu sót. Rất mong
sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
Nhân đây em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Điện Tự Động
Công Nghiệp, đặc biệt là thầy TRẦN TIẾN LƯƠNG đã giúp em hoàn thành đề tài
này đúng thời gian quy định.
1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CƠ – XE
1.1. Giới thiệu về hệ truyền động điện.
Hệ điện cơ là các hệ thống dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng và khống
chế tự động cơ năng đó. Phần cơ bản của hệ điện cơ là hệ thống điều chỉnh tự động
truyền động điện.
Mục tiêu cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền đông điện là phải đảm bảo giá
trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc động của các đại
lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh.
Một hệ điều chỉnh tự động truyền động điện gồm có những thành phần chính là:
bộ điều khiển, bộ biến đổi, các thiết bị đo lường, cơ cấu chấp hành, đối tượng cần
điều khiển.

Cấu trúc chung của một hệ điều chỉnh tự động truyền động điện như sau:
Trong đó:
- THĐ: Tín hiệu đặt.
- R: Bộ điều khiển.
- BĐ: Bộ biến đổi.
- ĐC: Động cơ hay gọi là cơ cấu chấp hành.
2
- MSX: Máy sản suất hay gọi là đối tượng cần điều khiển.
- ĐL: Thiết bị đo lường.
- NL: Tín hiệu nhiễu loạn tác động lên hệ thống.
1.2. Đặc điểm của hệ thống.
1.2.1. Bộ điều khiển.
Bộ điều khiển R nhận tín hiệu thông báo các sai lệch về trạng thái làm việc của
hệ thống tự động thông qua việc so sánh giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đo lường các
đại lượng đầu ra của hệ thống. Tín hiệu sai lệch này khi qua bộ điều chỉnh R sẽ
được khuếch đại và tạo hàm chức năng điều khiển (tích phân, vi phân) sao cho đảm
bảo chất lượng động và tĩnh của hệ thống tự động. Tín hiệu đầu ra của bộ điều
chỉnh được dùng để điểu khiển bộ biến đổi BĐ.
1.2.2. Bộ biến đổi.
Bộ biến đổi BĐ trong hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện có hai chức
năng: Chức năng thứ nhất là biến đổi năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác,
thích ứng với động cơ truyền động. Chức năng thứ hai là mang thông tin điều khiển
để điều khiển các tham số đầu ra của bộ biến đổi (như công suất P, điện áp U, dòng
điện I, tần số f, ).
1.2.3. Động cơ thực hiện truyền động.
Động cơ thực hiện truyền động ĐC là khâu làm nhiệm vụ biến đổi điện năng
thành cơ năng để cung cấp cho đối tượng cần điều khiển ở đây là xe điện. Động cơ
điện có thể là động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều dị bộ hay đồng bộ,
các lại động cơ bước,…Ở đồ án này dùng động cơ di bộ xoay chiều 3 pha làm động
cơ thực hiện truyền động.

1.2.4. Thiết bị đo lường.
3
Các khâu đo lường ĐL có nhiệm vụ biến đỏi dạng tín hiệu đầu ra về dạng tín
hiệu điện áp hoặc dòng điện phù hợp với tín hiệu đặt và có giá trị tỷ lệ với đại
lượng điều chỉnh đầu ra.
1.2.5. Đối tượng cần điều khiển.
Đối tượng cần điều khiển có thể là máy sản xuất, tải thế năng, xe điện,…Ở đồ
án này là xe điện tải trọng. Như hình vẽ:
1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha.
Động cơ điện không đồng bộ hiện nay được sử dụng rất phổ biến, nhưng với các
hệ truyền động điều khiển tốc độ thì ít được sử dụng so với các hệ trền động một
chiều vì có nhược điểm là điều chỉnh tốc độ khó khăn hơn. Tuy nhiên, với sự phát
triển cua công nghệ bán dẫn và điện tử tin học thì việc điều khiển tốc độ của độg cơ
không đồng bộ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều và đồng thời hệ truyền động điều
khiển tốc độ động cơ không đồng bộ trở thành hệ truyền động cạnh tranh hiệu quả
với hệ truyền động động cơ một chiều. Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
4
bộ, ta có thể tác động vào mạch roto hoặc mạch stator của động cơ. Trong thực tế,
với các hệ truyền động người ta hay dùng các phương pháp điều khiển tốc độ động
cơ không đồng bộ như sau:
- Điều khiển bằng phương pháp thay đổi điện áp sơ cấp vào stator của động cơ.
- Điều khiển bằng phương pháp thay đổi điện trở mạch rotor.
- Điều khiển bằng phương pháp điều chỉnh công suất trượt.
- Điều khiển bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp vào stator động cơ.
Tùy vào từng trường hợp cụ thể mà người ta có thể sử dụng từng phương pháp
cho thích hợp. Sau đây là phần trình bày cơ bản của các phương pháp đã nêu.
1.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển điện áp stator.
Do mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stator, do đó
có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều
chỉnh điện áp stator trng khi giữ nguyên tần số. đây là phương pháp đơn giản nhất,

chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn
stator. Phương pháp này kinh tế nhương họ đặc tính thu được không được tốt. Khi
mômen sẽ tăng hay giảm so với momen đang làm việc tốc dộ không đổi thì nó sẽ
làm việc ổn định tại điểm xác lập mới.
Ta có: M=
)2^2)^/'21((**0
'2*2^1*3
XnmsRRsw
RU
++
Với U
1
= var, f
1
= const, R
2
’= const, Xnm= const thì độ trượt tới hạn không đổi còn
mômen tới hạn tỷ lệ với bình phương điện áp lưới:
S
th
=
±
Xnm
R '2
= const
M
th
=
±
Xnmw

U
*0*2
2^1*3
= var
5
Để thay đổi điện áp cấp vào stator của động cơ, ta có thể sử dụng máy biến áp
hoặc cuộn kháng đặt vào stator hoặc đổi nối Y -
∆
hoặc dùng các bộ điều áp bằng
Tiristor. Đối với các hệ truyền động động cơ rotor lồng sóc, người ta thường sử
dụng các bộ điều áp để thay đổi cả dòng điện và điện áp mà không làm thay đổi tần
số để điều chỉnh tốc độ và hạn chế dòng mở máy bằng phương pháp giảm điện áp
khi khởi động.
Ta có sơ đồ đơn giản của phương pháp:
Hình 1.1: Sơ đồ đơn giản của phương pháp thay đổi điện áp stator
Khi giảm điện áp vào stator của động cơ, ta được các đặc tính như sau:
6
Hình 1.2: Đặc tính cơ khi thay đổi điện áp vào stator
Dựa vào đặc tính cơ ta có thể nhận thấy khi giảm điện áp thì mômen giảm rất
nhiều. Do đó, phương pháp này chỉ thích hợp với tải có momen tỷ lệ với tốc độ,
không thích hợp với tải có momen không đổi.
1.3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển điện trở rotor.
Để điều chỉnh tốc độ, ngoài việc tác động vào stator, người ta còn có thể tác
động vào mạch rotor để thay đổi dòng điện rotor dẫn đến làm thay đổi momen của
động cơ. Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rotor là phương pháp chỉ áp dụng
cho động cơ không đồng bộ rotor dây quấn nhờ nối tiếp cuộn dây rotor với bộ biến
đổi điện trở mạch ngoài. Do độ trượt tới hạn tỷ lệ với giá trị điện trở rotor nên khi
điện trở rotor thay đôi thì độ trượt tới hạn sẽ thay đổi theo trong khi momen tới hạn
không thay đổi do tần số, điện áp giữ nguyên.
Ta có sơ đồ đơn giản của phương pháp này:

7
Hình 1.3: Sơ đồ đơn giản của phương pháp điều chỉnh
điện trở phụ mạch rotor
Với U
1
= const, f
1
= const, R
2
’= var, Xnm= const thì độ trượt tới hạn của động cơ
thay đổi, còn mômen tới hạn của động cơ không thay đổi.
S
th
=
±
Xnm
R '2
= var
M
th
=
±
Xnmw
U
*0*2
2^1*3
= const
Họ đường đặc tính thu được khi thay đổi như sau:
8

Hình 1.4: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở rotor.
Khi thay đổi giá trị điện trở rotor nhưng momen tơi hạn không thay đổi nên có
thể thay đổi tốc độ của động cơ cho tải là không đổi. Phương pháp này chỉ cho
phép thay đổi tốc độ về phía giảm tốc độ và sự ổn định về tốc độ cũng kém hơn do
đặc tính dốc hơn. Tuy nhiên, phương pháp này có ưu điểm lớn là có thể điều chỉnh
điện trở phụ sao cho M
nm
bằng M
th
để mở máy động cơ với momen lớn nhất cũng
như là dùng điện trở phụ để hạn chế dòng điện mở máy.
1.3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển công suất trượt.
Đối với động cơ không đồng bộ, công suất trượt
∆
P
s
= s*P
đt
của tần số f
2
= s*f
1
sẽ bị tiêu tán trên điện trở của rotor. Với các máy có công suất lớn thì tổn hao công
suất này là đáng kể đặc biệt là khi điều chỉnh ở tốc độ thấp (s lớn). Do đó, từ việc
tiết kiệm điện năng mới nảy sinh yêu cầu tận dụng công suất này. Để tận dụng công
suất tổn hao này, người ta dùng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, năng lượng
tiêu hao trên điện trở phụ được chỉnh lưu thành năng lượng điện một chiều sau đó
qua bộ nghịch lưu được biến thành năng luwjng điện xoay chiều để đưa trả ngược
9
về lưới. Trong điều kiện nguồn cấp không đổi P

đt
= const thay đổi công suất trượt
∆
P
s
ta sẽ thay đổi được độ trượt s do đó làm thay đổi được tốc độ động cơ.
Ta có sơ đồ như sau:
Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh công suất trượt.
P
1
= P
2
+
∆
P
s
Khi thay đổi góc mở chậm của Tiristor ở trạng thái nghịch lưu, ta sẽ làm cho
∆
P
s
thay đổi dẫn đến độ trượt s cũng sẽ thay đổi. Vậy việc điều chỉnh tốc độ động cơ
được thực hiện bằng cách thay đổi góc mở Tiristor của bộ nghịch lưu. Quan hệ của
tốc độ hoặc hệ số trượt s của động cơ với góc mở
α
được xác định như sau:
Gọi k
Đ
=
1*1
2*2

kdqw
kdqw
là tỷ lệ số vòng dây có kể đến hệ số quấn dây của rotor và
stator thì điện áp ở rotor động cơ là s*k
Đ
*U và điện áp ở đầu ra của bộ chỉnh lưu
cầu 3 pha là: U
CL
= 1,35*s*k
Đ
*U
Gọi k
B
là tỷ số biến áp của máy biến áp thì điện áp trung bình ở bộ nghịch lưu
cầu có biểu thức: U
NL
= 1,35*k
B
*U*cos
α
U
CL
và U
NL
phải bằng nhau và ngược dấu suy ra:
10
1,35*s*k
Đ
*U = - 1,35*k
B

*U*cos
α
hay là : s=
kD
kB
−
*cos
α
Trong đó: U: Điện áp dây của nguồn.
P
đt
= P
cơ
+
∆
P
s
= P
đt
*(1-s) + s*P
đt
= const
Nếu lấy
∆
P
s
trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng.
- Khi điều chỉnh với w < w
1
: được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ (lấy

năng lượng
∆
P
s
ra phát lên lưới, chế độ nghịch lưu, 90˚<
α
<180˚, s > 0).
- Khi điều chỉnh với w > w
1
: được gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ (s < 0),
ngược với điều trên.
- Nếu tái sử dụng năng lượng
∆
P
s
để tạo P
cơ
: được gọi là truyền động nối cấp cơ.
Phương pháp này không có ý nghĩa nhiều vì khi w giảm còn (1/3)*w
1
thì
s=(2/3)*w
1
hay
∆
P
s
= (2/3)P
đt
tức là công suất cơ một chiều dùng để tận dụng phải

gần bằng công suất chính (xoay chiều), nếu không thì không nên điều chỉnh sâu w
xuống. Trong thực tế rất ít khi sử dụng phương pháp này.
1.3.4. Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển tần số nguồn cấp stator.
Để thay đổi tốc độ động cơ ngoài các cách đã nêu trên ta có thể ta có thể tác
động vào tần số nguồn cấp cho stator của động cơ. Khi điều chỉnh tần số động cơ
không đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp, dòng điện hoặc từ thông trong
mạch stator do trở kháng, từ thông, dòng điện,… của động cơ bị thay đổi.
Ta có sơ đồ như sau:
11
Hình 1.6: Sơ đồ phương pháp thay đổi tần số.
Theo công thức: n =
p
f 1*60
*(1 - s) ; n
1
=
p
f 1*60
Nếu thay đổi tần số của nguồn cấp f
1
thì n
1
, n đều thay đổi nhưng phương pháp
này sẽ ảnh hưởng lớn đến suất điện động (sđđ) và momen (M
q
).
Vì U
1
= E
1

= 4,44*f
1
*K
TP1
*W
1
*
φ
*10
-8
= K*
φ
*f
1

Vì U
1
là điện áp nạp từ lưới nên U
1
= const vậy thì khi:
- khi f
1
giảm làm cho từ thông
φ
tăng. Động cơ làm việc ở chế độ bão hòa từ mà
φ
tăng tức I
µ
tăng sinh ra tổn hao lớn.
- Khi f

1
tăng tất nhiên
φ
sẽ giảm nhưng hệ số quá tải K
qt
=
Mdm
M
giảm. Vì M=C*
2)^1(
2)^1(
f
U
. Ở đó C là hệ số và đã bỏ qua R
1
. Vậy khi f
1
tăng thì M giảm. Vậy để cho
K
qt
= const thì:
12

dmM
M
'
'
=
Mdm
M

hay
Mdm
dmM '
=
M
M '
=
2)^1'(*2)^1(
2)^1(*2)^1'(
fU
fU

=>
1
1'
U
U
=
1
1'
f
f
*
M
M '
(1)
Trong đó: f
1
’ là tần số lưới đã thay đổi ứng với f
1

’ là M’
đm
, M’, U
1
’
- Trong thực tế yêu cầu momen không đổi tức là
M
M '
= 1. Vậy thì
1
1'
U
U
=
1
1'
f
f
tức
là
1
1
f
U
= const. Vậy khi điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số nếu giữ
cho momen không đổi thì khi thay đổi tần số lên a lần thì đồng thời phải thay đổi
điện áp lên a lần. Đặc tính cơ như hình 1.7.a.
- Khi yêu cầu điều chỉnh tốc độ phải giữ được P
c
= Const thì khi đó momen tỷ lệ

nghịch với ần số.
Từ công thức M =
1w
Pdt

≈

1w
Pc
. Nếu bỏ qua tổn hao thì P = C*M*f
1
= Const.
Hay M*f
1
= M’*f
1
’ =>
M
M '
=
1'
1
f
f
(2)
Thay (2) vào (1) ta được:
1
1'
U
U

=
1
1'
f
f
(3)
Từ (3) ta thấy: Nếu đảm bảo cho công suất cơ P
c
= const thì khi thay đổi điện áp
U
1
lên a lần thì cũng phải thay đổi f
1
lên
a
lần. Đặc tính cơ như hình 1.7.b.
13
a. M = const b. P
c
= const
Hình 1.7: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn.
Kết luận:
Trong hệ thống truyền động thay đổi tốc độ, thì phương pháp thay đổi tần số
nguồn vào stato có thể thay đổi được nhiều cấp tốc độ khác nhau, sao cho phù hợp
với hoàn cảnh đặt ra. Với công nghệ bán dẫn phát triển, thì việc thay đổi tần số
nguồn không còn là khó khăn và phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi ở
nhiều nơi khi muốn thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.

14
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

2.1. Đề xuất cấu trúc điều khiển.
Trong đó:
φ : Là vị trí đặt mong muốn.
Rφ: Là bộ điều khiển vị trí.
Rω: Là bộ điều khiển tốc độ.
RI : Là bộ điều khiển dòng điện.
BBD : Là bộ biến đổi công suất.
M : Là động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha.
Đo : Là thiết bị đo các đại lượng cần phản hồi.
2.2. Giới thiệu các thành phần.
2.2.1. Mô tả toán học động cơ không đồng bộ 3 pha.
Đối với các hệ truyền động điện đã được số hóa hoàn toàn, để điều khiển biến
tần người ta sử dụng phương pháp điều chế vecto không gian. Khâu điều khiển biến
15
tần là khâu ghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển và điều chỉnh bằng số với
khâu chấp hành. Như vậy cần mô tả động cơ thành các phương trình toàn học.
Quy ước: A, B, C chỉ thứ tự pha các cuộn dây roto và a, b, c chỉ thứ tự pha các
cuộn dây stator.
Giả thiết:
- Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, roto vượt góc θ.
- Tham số được coi là không đổi (các giá trị điện trở, điện cảm).
- Mạch từ chưa bão hòa hay các tổn hao sắt từ và sự bão hào từ ó thể bỏ qua.
- Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe khí.
- Khe hở không khí δ đồng đều.
- Nguồn 3 pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2π/3).
Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k như sau:
U
k
= I
k

*R
k
+
dt
kd )(
ψ
Trong đó:
- k: là thư tự cuộn dây A, B, C roto và a, b, c stato.
- ψ
k
: là từ thông cuộn dây thứ k.
ψ
k
= ∑L
kj
*i
j
. Nếu i = k: tự cảm, j ≠ k: hỗ cảm.
Ví dụ:
Ψ
a
= L
a a
*i
a
+ L
a b
*i
b
+ L

a c
*i
c
+ L
a A
*i
A
+ L
a B
*i
B
+ L
a C
*i
C
Vì

3 pha đối xứng nên:
R
a
= R
b
= R
c
= R
s
, R
A
= R
B

= R
C
= R
r
L
aa
= L
bb
= L
cc
= L
sl
, L
AA
= L
BB
= L
CC
= L
rl
16
L
ab
= L
ba
= L
bc
= … = -M
s
, L

AC
= L
BC
= L
AB
= … = -M
r
L
aA
= L
bB
= L
cC
= L
Aa
= L
Bb
= L
Cc
= M*cosθ
L
aB
= L
bC
= L
cA
= L
Ba
= L
Cb

= L
Ac
= M*cos(θ + 2π/3)
17
Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biến
thiên theo thời gian vì góc quay θ phụ thuộc vào thời gian:
θ = θ
0
+∫ω(t)dt
Hệ phương trình cơ bản của động cơ xoay chiều 3 pha được mô tả như sau:
- Phương trình điện áp stator:
u
su
(t) = R
s
*i
su
+
dt
tsud )(
ψ
u
sv
(t) = R
s
*i
sv
+
dt
tsvd )(

ψ
(2.1)
u
sw
(t) = R
s
*i
sw
+
dt
tswd )(
ψ
18
Trong đó:
R
s
: Điện trở cuộn dây stator.
ψ
su
,

ψ
sv
, ψ
sw
: Từ thông cuộn dây pha u, v, w.
Khi đó điện áp stator được biểu diễn dưới dạng sau:
u
s
= R

s
*i
s
+ d(ψ
s
)/dt (2.2)
Tương tự ta có véc tơ điện áp viết cho rotor của động cơ với chú ý là rotor lồng
sóc ngắn mạch:
0
s
= R
s
*i
r
+ d(ψ
r
)/dt (2.3)
Trong đó:
R
r
: Điện trở quy rotor quy đổi về stator.
0: Veto 0
Phương trình từ thông viết cho stator và rotor như sau:
ψ
s
= i
s
*L
s
+ i

r
*L
m
ψ
r
= i
r
*L
r
+ i
s
*L
m
(2.4)
Do các cuộn dây rotor và stator có cấu tạo đối xứng nên tất cả các giá trị điện cảm
là như nhau trên mọi hệ tọa độ quan sát. Để hoàn thiện hệ thống phương trình mô tả
động cơ xoay chiều 3 pha ta bổ xung thêm 2 phương trình sau:
Phương trình momen:
M
e
=
2
3
*P
c
*(ψ
s
*i
s
) = -

2
3
* P
c
*(ψ
r
*i
r
) (2.5)
Phương trình chuyển động:
M
e
= M
c
+
pc
j
*
dt
d
ϖ
(2.6)
Trong đó:
19
L
m
: Hỗ cảm giữa rotor và stator.
L
σs
: Điện cảm tiêu tán trên cuộn dây stator.

L
σr
: Điện cảm tiêu tán trên cuộn dây rotor.
L
s
= L
m
+ L
σs
: Điện cảm stator.
L
r
= L
m
+ L
σr
: Điện cảm rotor.
T
s
= L
s
/R
s
: Hằng số thời gian stator.
T
r
= L
r
/R
r

: Hằng số thời gian rotor.
σ = 1 – L
m
2
/(L
s
*L
r
) : Hệ số tiêu tán tổng.
Các hệ tọa độ quan sát động cơ:
Việc quan sát mô hình toán của động cơ dị bộ xoay chiefu 3 pha được thực hiện
trên các hệ tọa độ khác nhau bao gồm: hệ toajddooj stator (hệ tọa độ αβ), hệ tọa độ
từ thông rotor (hệ tọa độ dq). Như đã biết việc mô tả toán học của động cơ
trên hệ tọa độ dq là hết sức quan trọng đối với việc tổng hợp bộ điều khiển cho
động cơ dị bộ điều khiển bởi biến tần.
Ta quy ước một số ký hiệu như sau:
f : Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ dq).
s : Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ stator (hệ αβ).
r : Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor.
20
Hình 2.1: Biểu diễn vecto không gian trên hệ tọa độ αβ, hệ tọa độ dq
Mô hình toán động cơ xoay chiều 3 pha trên hệ stator (hệ αβ).
Hệ tọa độ này có tên là hệ (αβ) được gắn với stator trong đó trục α chọn trùng
với trục dây quấn pha u của stator. Từ các phương trình cơ vecto của động cơ dị bộ,
chiếu lên hệ tọa độ αβ và từ các phương trình và hệ phương trình (2.2), (2.3), (2.4)
ta được hệ phương trình như sau:
dt
isd )(
α
= -(

Ts*
1
σ
+
Tr*
1
σ
σ
−
)*i
sα
+
Tr*
1
σ
σ
−
*ψ
’
rα
+
σ
σ
−1
*w*ψ
’
rβ
+
Ls*
1

σ
*u
sα
dt
isd )(
β
= -(
Ts*
1
σ
+
Tr*
1
σ
σ
−
)*i
sβ
-
σ
σ
−1
*w*ψ
’
rα
+
Tr*
1
σ
σ

−
*ψ
’
rβ
+
Ls*
1
σ
*u
sβ
d(ψ
’
rα
)/dt =
Tr
1
*i
sα
-
Tr
1
* ψ
’
rα
– w* ψ
’
rβ
(2.7)
d(ψ
’

rβ
)/dt =
Tr
1
*i
sβ
+ w* ψ
’
rα
-
Tr
1
* ψ
’
rβ
21
Trong đó:
ψ
’
rα
= ψ
rα
/L
m
ψ
’
rβ
= ψ
rβ
/L

m
(2.8)
Ngoài hệ phương trình (2.7) đã mô tả phần hệ thống điện của động cơ xoay chiều.
Ta có phương trình momen sau khi biến đổi lại:
M
e
=
2
3
*
Lr
Lm 2)^(
*p
c
*( ψ
’
rα
*i
sβ
- ψ
’
rβ
*i
sα
) (2.9)
Mô hình toán động cơ xoay chiều 3 pha trên hệ dq.
Trên hình (2.1) biểu diễn một hệ trực tọa độ có trục thực trùng với trục của từ
thông rotor ψ
r
. Ta gọi hệ tọa độ này là hệ tọa độ từ thông rotor (hệ dq), hệ tọa độ

này có gốc trùng với gốc của hệ αβ nhưng nó quay nhanh hơn hệ αβ với tốc độ w =
w
s
.
Từ các phương trình vecto của động cơ xoay chiều 3 pha ta xây dựng được
phương trình mô tả trên hệ tọa độ dq như sau:
dt
isdd )(
= -(
Ts*
1
σ
+
Tr*
1
σ
σ
−
)*i
sd
+ w
s
* i
sq
+
Tr*
1
σ
σ
−

*ψ
’
rd
+
σ
σ
−1
*w*ψ
’
rq
+
Ls*
1
σ
*u
sd
dt
isqd )(
= - w
s
* i
sd
- (
Ts*
1
σ
+
Tr*
1
σ

σ
−
)*i
sq
-
σ
σ
−1
*w*ψ
’
rd
+
Tr*
1
σ
σ
−
*ψ
’
rq
+
Ls*
1
σ
*u
sq
d(ψ
’
rd
)/dt =

Tr
1
*i
sd
-
Tr
1
* ψ
’
rd
+ (w
s
– w)* ψ
’
rq
(2.10)
d(ψ
’
rq
)/dt =
Tr
1
*i
sq
– (w
s
– w)* ψ
’
rd
-

Tr
1
* ψ
’
rq
Trong đó:
ψ
’
rd
= ψ
rd
/L
m
ψ
’
rq
= ψ
rq
/L
m
(2.11)
Ngoài ra ta còn có phương trình momen như sau:
22
M
e
=
2
3
*
Lr

Lm 2)^(
*p
c
* ψ
’
rd
* i
sq
(2.12)
Từ đây ta dễ dàng xây dựng được cấu trúc mô hình động cơ dị bộ xoay chiều 3
pha trên hệ tọa độ dq.
2.2.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển vecto động cơ không đồng bộ.
Hệ truyền động sử dụng động cơ lồng sóc đạng ngày càng chiếm ưu thế trên thị
trường vì lý do chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ. Mặt khác do sự phát
triển mạnh mẽ của vi xử lý và các van công suất đã cho phép điều khiển cả tốc độ
và momen của động cơ lồng sóc nên việc ứng dụng nó ngày càng được đa dạng
trong các hệ truyền động.
Sau khi đã xây dựng vecto không gian và quan sát trên tọa độ từ thông rotor (hệ
dq) ta thu được hê đơn giản sau đây giữa momen quay, từ thông và các thành phần
của vecto dòng stator.
ψ
rd
=
sTr
Lm
*1+
*i
sd
M
e

=
2
3
*
Lr
Lm
*p
c
* ψ
rd
*i
sq
(2.13)
Như vậy, thông qua việc điều chỉnh tăng, giảm i
sd
ta thhay đỏi dược từ thông
rotor. Và nếu thành công trong việc điều chỉnh ổn định ψ
rd
tại mọi điểm công tác
của động cơ, đồng thời thay đổi được dòng i
sq
là đại lượng liên quan trực tiếp đến
momen động cơ thì ta hoàn toàn khống chế được tốc độ và momen của động cơ dị
bộ rotor lồng sóc. Với ý tưởng này, động cơ dị bộ rotor lồng sóc vó thể điều khiển
tương tự như động cơ một chiều.
Ta có mô hình điều khiển như động cơ một chiều như sau:
23
Hình 2.2: Mô hình điều khiển động cơ một chiều.
Ta sẽ xây dựng một hệ điều khiển tương tự cho động cơ không đồng bộ như trên
tọa độ dq. Như vậy động cơ cũng phải biểu diễn trên dq, lượng đặt là w và i

sd
như
hình sau:
Hình 2.3: Tư tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ.
Nhưng trong hệ thống thực, nguồn cấp cho động cơ là 3 pha abc (hay là uvw),
và các đại lượng dòng phản hồi đo về được cũng trên tọa uvw, vậy giữa hai hệ tọa
độ đó phải có các hệ chuyển đổi tọa độ, cụ thể là từ bộ điều chỉnh lượng đặt để
thành tín hiệu đưa vào biến tần nuôi động cơ phải có một bộ chuyển đổi dq/uvw từ
các đại lượng dòng đo được đem phản hồi có một bộ chuyển đổi ngược từ uvw/dq.
24
Vấn đề nảy sinh là khi chuyển đổi giữa hai tọa độ cần phải có góc lệch giữa
chúng (θ
s
). Từ đây có hai giải pháp:
- Lấy θ
s
bằng cách tích phân tốc độ quay ω
s
của dòng, áp stator hoặc từ thông rotor.
- Vì hệ tọa độ dq có trục thực gắn với ψ
r
nên góc θ
s
có thể xác định bằng cách tính
góc của ψ
r
trên hệ tọa độ αβ.
Từ phân tích trên ta có hệ thống như hình vẽ:
Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống điều chỉnh dòng điện và tốc độ
của động cơ trên dq.

25