đồ án kỹ thuật điện điện tử phương pháp điều khiển trực tiếp momen đối với hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

LỜI NÓI ĐẦU
Trước đây, trong các hệ truyền động chất lượng cao thì động cơ một chiều
chiếm ưu thế tuyệt đối so với động cơ xoay chiều ba pha do khả năng điều
khiển dễ dàng và đạt độ chính xác cao. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh
mẽ của kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật chế tạo van bán dẫn và sự hoàn thiện của các
thuật toán điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, ưu thế đó của động cơ một
chiều không còn nữa. Động cơ xoay chiều ba pha mà cụ thể là động cơ không
đồng bộ và động cơ đồng bộ cũng có thể được điều khiển một cách dễ dàng và
chính xác gần như động cơ một chiều, do đú chúng đang được sử dụng rất rộng
rãi trong công nghiệp và đang dần thay thế triệt để động cơ một chiều [TL - 4].
Những năm gần đây, động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu đã được quan tâm
nghiên cứu cả về phương diện thiết kế chế tạo lẫn thuật toán điều khiển. Động
cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cả ưu thế của động cơ không đồng bộ và
động cơ một chiều. So với động cơ không đồng bộ thì động cơ đồng bộ kích
thích vĩnh cửu có hiệu suất cao hơn do không có tổn hao đồng ở Rotor, đặc tính
điều khiển ít nhạy với các tham số của động cơ. Hơn nữa, do từ thông Rotor là
không đổi nên việc điều chỉnh tốc độ của động cơ dễ dàng và thuận lợi hơn. So
với động cơ một chiều thì động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu làm việc tin cậy
hơn, ít phải bảo dưỡng hơn do không có hệ thống vành trượt – chổi than. Động
cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có thể làm việc trực tiếp với điện áp của lưới
điện mà không cần các bộ biến đổi để cấp nguồn một chiều.
Sự phát triển của công nghệ vật liệu mới đã tạo ra các nam châm vĩnh cửu có
mật độ năng lượng cao. Điều đó đồng nghĩa với việc động cơ đồng bộ kích
thích vĩnh cửu ngày càng có kết cấu nhỏ gọn, làm việc chắc chắn, độ tin cậy
cao, giá thành sản xuất ngày càng thấp. Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
thường được ứng dụng cho các hệ truyền động chất lượng cao ở dải công suất
nhỏ như trong các máy công cụ, trong chế tạo Robot…
Kỹ thuật điều khiển động cơ xoay chiều ba pha rất phong phú và đa dạng.
Trong thực tế, với hệ truyền động điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh tần số
1
nguồn cung cấp có hai phương pháp đạt được chất lượng điều khiển khá cao là

phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor và phương pháp điều khiển
trực tiếp momen.
Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor dựa trên việc chia tách dòng
điện Stator làm hai thành phần, một thành phần tạo từ thông Rotor và một
thành phần tạo momen quay. Sự chia tách này nhằm mục đích điều khiển riêng
rẽ từ thông và momen của động cơ qua đó làm cho động cơ xoay chiều ba pha
có thể đạt được những đặc tính điều khiển/điều chỉnh tốt gần như động cơ một
chiều.
Khác với phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor, phương pháp điều
khiển trực tiếp momen lại dựa trên ảnh hưởng trực tiếp của điện áp đầu vào lên
từ thông Stator để điều khiển được góc lệch giữa vector từ thông Stator và
vector từ thông Rotor, qua đó điều khiển trực tiếp được momen của động cơ.
Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor được đưa ra từ cuối những
năm 60 đến đầu những năm 70 của thế kỷ 19 và cho đến hiện nay phương pháp
này đã gần như hoàn thiện và đã được áp dụng trong hầu hết các bộ biến tần
chất lượng cao.
So với phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor thì phương pháp điều
khiển trực tiếp momen ra đời muộn hơn (1986) và là phương pháp còn khá mới
mẻ. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen có cấu trúc đơn giản, dễ thực
hiện, cho đáp ứng momen nhanh, tuy nhiên độ đập mạch của momen lại khá
cao.
Đã có rất nhiều phương án để giảm độ đập mạch của momen như phương án
tạo hình cho các nam châm vĩnh cửu, uốn các nam châm lượn chéo theo trục
Rotor hay bằng các thiết kế thích hợp cho dây quấn Stator [TL - 5]. Những
phương án này đều liên quan đến việc thay đổi cấu tạo của động cơ do đó
không thể áp dụng rộng rãi được.
Trong khuôn khổ bản đồ án tốt nghiệp này em xin được trình bày về phương
pháp điều khiển trực tiếp momen đối với hệ truyền động biến tần động cơ đồng
bộ kích thích vĩnh cửu, trên cơ sở đó đưa ra giải pháp bằng thuật toán điều
khiển để làm giảm độ đập mạch của momen.

2
Do thời gian và trình độ có hạn nên trong đồ án, em chỉ tập trung vào các nội
dung sau:
1. Tỡm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ kích
thích vĩnh cửu.
2. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen đối với hệ truyền động biến
tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu.
3. Giải pháp làm giảm độ đập mạch của momen.
Trên cơ sở đó đồ án của em có cấu trúc chương mục với nội dung chủ yếu như
sau:
Chương 1: Trình bày về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng của
động cơ đồng bộ, động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu. Thành lập mô hình
toán học của động cơ.
Chương 2: Trình bày về nguyên lý điều chỉnh tốc độ ĐCĐB – KTVC, về cấu
trúc bộ biến tần bán dẫn, phương pháp điều khiển vector đối với bộ biến tần.
Các phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, bao gồm:
phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor và phương pháp điều khiển
trực tiếp momen.
Chương 3: Trình bày về phương pháp điều khiển trực tiếp momen, tổng hợp và
mô phỏng hệ thống.
Chương 4: Trình bày về giải pháp nhằm giảm độ đập mạch momen đối với hệ
truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu điều khiển trực tiếp
momen. Dựa vào kết quả mô phỏng đưa ra các kết luận, đánh giá về giải pháp.
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
Động cơ vừa là khâu chấp hành vừa là đối tượng điều khiển của các hệ truyền
động. Nhằm phục vụ cho việc thiết kế luật điều khiển, dưới đây ta sẽ đề cập
đến cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Động cơ đồng bộ (ĐCĐB), Động cơ
đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCĐB - KTVC), và mô tả ĐCĐB - KTVC dưới

dạng các phương trình toán học.
1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Động cơ đồng bộ
Giống như hầu hết các loại động cơ khác, ĐCĐB được cấu tạo từ hai phần
chính: phần không chuyển động gọi là Stator và phần chuyển động gọi là
Rotor.
Stator của ĐCĐB bao gồm hệ thống dây quấn ba pha đặt trong lừi thộp. Lừi
thép là phần dẫn từ. Nếu từ trường trong lừi thộp là từ trường xoay chiều thỡ
lừi thộp được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau nhằm giảm
tổn hao do dũng xoỏy. Nếu từ trường trong lừi thộp là từ trường một chiều thỡ
lừi thộp được làm bằng thép đúc nguyên khối.
Từ trường trong lõi thép của ĐCĐB là từ trường quay nên lừi thép được làm
bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, hai mặt có phủ sơn cách điện.
Hình 1.1 Stator của ĐCĐB
Rotor của ĐCĐB cũng gồm lừi thép và dây quấn và được chia làm hai loại:
Rotor cực lồi và Rotor cực ẩn.
4
Lõi thép Stator
Dây quấn Stator
Rotor cực lồi:
Hình 1.2 Rotor cực lồi
Cực từ được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 1,5 mm đặt trờn lừi thộp
Rotor. Lừi thộp Rotor được làm bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ
hay khối hình trụ. Dây quấn kích từ quấn trờn cỏc cực từ và nhận nguồn điện
một chiều từ bên ngoài qua hệ thống vành trượt - chổi than. Do dây quấn tập
trung nên lực ly tâm lớn, ĐCĐB Rotor cực lồi có tốc độ quay thấp: n < 500
vũng/phỳt.
Rotor cực ẩn:
Hình 1.3 Rotor cực ẩn
Lừi thép Rotor được làm từ hợp kim chất lượng cao, được gia công thành khối
hình trụ trên đó có xẻ một số rãnh để đặt dây quấn kích từ. Phần không phay

rãnh của Rotor hình thành mặt cực từ. Do dây quấn kích từ quấn rải nên lực ly
tâm bé, ĐCĐB Rotor cực ẩn có tốc độ quay lớn: n > 500 vũng/phỳt.
Ngoài dây quấn kích từ, trên Rotor của ĐCĐB còn có dây quấn mở máy kiểu
lồng sóc. Quá trình mở máy của ĐCĐB sẽ diễn ra theo hai giai đoạn. Giai đoạn
5
Lõi thép Rotor
Cực từ
Dây quấn kích từ
S
N
N
S
Lõi thép Rotor
Dây quấn kích từ
N
S
thứ nhất quá trình mở máy của ĐCĐB diễn ra như quá trình mở máy của động
cơ không đồng bộ (ĐCKĐB), giai đoạn thứ hai là khi tốc độ của động cơ đạt
đến gần tốc độ đồng bộ thỡ đúng nguồn kích từ vào để đưa tốc độ của động cơ
lên tốc độ đồng bộ.
Nguyên lý hoạt động của Động cơ đồng bộ:
Đặt điện áp xoay chiều ba pha vào dây quấn Stator. Trong dây quấn Stator sẽ
cú cỏc dòng điện xoay chiều lệch nhau 120
0
về thời gian. Dòng điện này sẽ tạo
nên từ trường quay với tốc độ n
1
= 60f/p.
Dây quấn kích từ được nối với nguồn một chiều nên dòng điện trong dây quấn
kích từ sẽ sinh ra từ trường cực từ.

Tác dụng của hai từ trường này sẽ sinh ra momen quay và momen quay đó sẽ
kéo Rotor quay với tốc độ đúng bằng tốc độ của từ trường quay: n = n
1
.
2. Các đặc tính của Động cơ đồng bộ
Đặc tính cơ của Động cơ đồng bộ:
Động cơ đồng bộ làm việc ở tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ nên trong
phạm vi momen cho phép M ≤ M
max
, đặc tính cơ là tuyệt đối cứng β=∞. Khi
momen vượt quá trị số cho phép M
max
thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ.
Hình 1.4 Đặc tính cơ của ĐCĐB
Đặc tính góc của Động cơ đồng bộ:
6
Trong hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ người ta còn sử dụng đặc tính góc
M=f(θ). Đặc tớnh góc biểu diễn quan hệ giữa momen động cơ với góc lệch
giữa vector điện áp pha của lưới điện và vector sức điện động cảm ứng trong
dây quấn Stator do từ trường một chiều sinh ra.
Phương trình đặc tính góc có dạng như sau:
]2sin)
11
(
2
sin[
3
2
11
1

θθ
ω
dqd
XX
U
X
EU
M
−+=
(1.1)
Trong đó:
U
1
là điện áp pha lưới điện,
E là sức điện động pha Stator,
θ là góc lệc pha giữa U
1
và E,
X
d
, X
q
là điện kháng dọc trục và ngang trục.
Đường cong biểu diễn M là tổng của 2 thành phần:
θ
ω
sin
3
1
1

1
d
X
EU
M =
và
θ
ω
2sin)
11
(
2
3
1
2
1
2
dq
XX
U
M
−=
(1.2)
Hình 1.5 Đặc tính góc của ĐCĐB
Đối với ĐCĐB cực ẩn, khe hở không khí được coi là gần đều nên X
d
= X
q
do
đó: M = M

1
. Thực tế thường M
2
rất nhỏ nên có thể bỏ qua, khi đó đặc tính góc
của ĐCĐB cực ẩn và ĐCĐB cực lồi là như nhau: M = M
m
sin θ với
s
m
X
EU
M
1
1
3
ω
=
.
7
M
1
π
2
0
2
π
M
2
M
θ

M
m
M
m
đặc trưng cho khả năng quá tải của động cơ, khi tải tăng thỡ gúc lệch θ
tăng, khi
2
π
θ
>
thì momen giảm. ĐCĐB thường làm việc định mức với θ
đm
=
20
0
→ 25
0
, hệ số quá tải về momen:
5,22 ÷==
dm
m
M
M
M
λ
.
3. Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Ta thấy rằng để cho động cơ quay được thì cần phải có hai từ thông: từ thông
Stator sinh bởi dòng điện xoay chiều ba pha và từ thông Rotor sinh bởi dòng
điện một chiều.

Dòng điện xoay chiều ba pha có thể lấy trực tiếp từ lưới điện nhưng để có dòng
điện một chiều cung cấp cho dây quấn kích từ thì phải có nguồn điện một chiều
riêng và hệ thống vành trượt - chổi than. Điều này khá là bất tiện vì đi kèm với
động cơ lại phải có hệ thống tạo nguồn điện một chiều, hơn nữa chỗ tiếp xúc
giữa vành trượt - chổi than thường phát sinh ra tia lửa điện và chổi than sẽ bị
mòn theo thời gian.
Để khắc phục nhược điểm này thì hệ thống nguồn điện một chiều, vành trượt -
chổi than và dây quấn kích từ được thay thế bằng các nam châm vĩnh cửu.
Nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các loại vật liệu như Ferrit, AlNiCo,
SmCo
5
, NdFeB… và có thể được bố trí đều đặn trên bề mặt Rotor hay bố trí
chìm bên trong Rotor.
Với những cách bố trí khác nhau ta có thể có được động cơ với những đặc tính
khác nhau. Nếu các phiến nam châm được bố trí trên bề mặt thì có thể coi khe
hở không khí là đều và động cơ sẽ mang tính chất của ĐCĐB cực ẩn. Nếu các
phiến nam châm được bố trí chìm bên trong Rotor thì khe hở không khí không
thể coi là đều được, động cơ sẽ mang tính chất của ĐCĐB cực lồi.
8
Dây quấn Stator
Nam châm vĩnh cửu
Rotor
Stator
Hình 1.6 ĐCĐB - KTVC với các nam châm được bố trí trên bề mặt Rotor
Để tăng độ bền cho Rotor thì khoảng giữa các thanh nam châm được lấp đầy
bằng vật liệu không dẫn từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao, cũng có thể
bắt vít lờn cỏc thanh nam châm để cố định chỳng trờn lừi thộp Rotor.
Ngày nay hầu hết các ứng dụng đều sử dụng ĐCĐB - KTVC với các nam châm
vĩnh cửu được gắn trên bề mặt Rotor. Các nam châm bề mặt thường được từ
hoá hướng kính nhằm sinh ra từ thông khe hở đều hơn, qua đó giảm độ đập

mạch của momen.
Khi bố trí các nam châm chìm trong Rotor thì Rotor có cấu trúc bền vững hơn,
do đó có thể làm việc với tốc độ cao hơn. Dưới đây là một vài cách bố trí nam
châm vĩnh cửu trên bề mặt Rotor hay chìm trong Rotor.
Hình 1.7 Các cách bố trí nam châm vĩnh cửu khác nhau
Với việc sử dụng nam châm vĩnh cửu để sinh ra từ trường cực từ thì động cơ
không cần có dây quấn kích từ nờn khụng gõy tổn hao đồng ở Rotor. Tổn thất
sắt và tổn thất đồng chỉ tập chung ở Stator nên làm mát thuận tiện hơn. Những
9
ưu điểm trên làm cho ĐCĐB - KTVC có hiệu suất cao hơn và giảm được kích
thước của máy [TL - 5].
Phạm vi sử dụng chính của ĐCĐB - KTVC là dùng trong công nghiệp chế tạo
máy chế biến (Máy gia công cắt gọt kim loại, Máy đóng bao gói, Máy gia công
chớnh xỏc…). Trong các ứng dụng này ĐCĐB - KTVC luôn được sử dụng
kèm theo các thiết bị điều khiển chất lượng cao [TL - 7].
4. Mô tả toán học Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Trong các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ thì động cơ chính là đối tượng điều
chỉnh. Do vậy để thiết kế được các luật điều chỉnh thì động cơ cần được mô tả
dưới dạng các phương trình toán học.
Khi mô tả ĐCĐB - KTVC dưới dạng các phương trình toán học ta chấp nhận
các giả thiết sau:
 Các cuộn dây stato được bố trí đối xứng trong không gian.
 Các tổn hao sắt từ và sự bão hoà có thể bỏ qua.
 Dòng từ hoá và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.
 Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi.
4.1 Xây dựng vector không gian từ các đại lượng xoay chiều ba pha
Sơ đồ bố trí cuộn dõy của Stator ĐCĐB – KTVC:
Hình 1.8 Bố trí cuộn dây stator ĐCĐB
Ba cuộn dây Stator được bố trí đối xứng trong không gian nên dòng điện trong
các cuộn dây này sẽ thoả món cỏc phương trình:

10







+=
+=
=
=++
)240cos(
)120cos(
)cos(
0
0
0
tii
tii
tii
iii
sssc
sssb
sssa
scsbsa
ω
ω
ω
(1.3)

Trên mặt phẳng vuông góc với trục Rotor tức là mặt cắt ngang động cơ, ta thiết
lập một hệ trục tọa độ phức (hệ toạ độ (
0,,
βα
), với
α
là trục thực - trùng với
trục dây quấn pha u của động cơ,
β
là trục ảo), có thể xây dựng được vector
không gian:
)(
3
2
00
240120 j
sw
j
svsu
s
eieiii
++=
=
γ
j
s
ei
(1.4)
Vector
s

i
là một vector có module không đổi quay trên mặt phẳng phức với
tốc độ góc
ss
f
πω
2
=
và tạo với trục thực một góc
t
s
ωγ
=
, trong đó f
s
là tần số
mạch Stator.
Hình 1.9 Xây dựng vector không gian từ các đại lượng xoay chiều ba pha
Dễ dàng thấy rằng dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector mới
thu được lên trục của các cuộn dây pha tương ứng.
Chiếu
s
i
lên 2 trục
α
và
β
được 2 thành phần dòng điện
α
s

i
và
β
s
i
với:
βα
ss
s
jiii +=
Quan hệ giữa các dòng điện
α
s
i
và
β
s
i
với các dòng điện pha:
11





+=
=
)2(
3
1

svsus
sus
iii
ii
β
α
(1.5)
Hình 1.10 Quan hệ giữa các thành phần dòng điện i
sα
, i
sβ
với các dòng điện của
từng pha
Bằng cách tương tự ta cũng xây dựng được các vector không gian: điện áp
Stator
s
u
; dòng điện Rotor
r
i
; từ thông Stator
s
ψ
; từ thông Rotor
r
ψ
.








+=
+=
+=
+=
βα
βα
βα
βα
ψψψ
ψψψ
rrr
sss
rrr
sss
j
j
jiii
juuu
(1.6)
4.2 Mô tả toán học Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
12
Từ thông Rotor của ĐCĐB - KTVC được tạo bởi các nam châm vĩnh cửu nờn
nú luụn cú hướng và độ lớn xác định, vì vậy ĐCĐB - KTVC thường được mô
tả trên hệ toạ độ từ thông Rotor (hệ toạ độ dq).
Hệ toạ độ từ thông Rotor (d, q, 0) là hệ trục toạ độ phức có trục thực 0d trùng
với trục Rotor. Do đó hệ trục toạ độ này là hệ trục toạ độ quay với tốc độ ω

s
.
Xét một vector
v
bất kỳ nằm trong hệ trục toạ độ cố định (α, β, 0). Khi vector
này được quan sát trong hệ trục toạ độ quay (d, q, 0) thì ta có công thức chuyển
trục toạ độ :
s
j
qd
evv
ϑ
βα
−
=
.
)0,,()0,,(
với
s
ϑ
là góc lệch giữa 2 hệ trục toạ độ.
Khi xây dựng mô hình của ĐCĐB - KTVC ta giả thiết rằng máy điện có kết
cấu tròn đều đối xứng, các đại lượng xoay chiều ba pha đã được chuyển thành
các đại lượng vector và được chuyển sang hệ toạ độ dq.
Hình 1.11 Vector không gian trong hệ toạ độ từ thông Rotor
Phương trình điện áp Stator:
ss
s
s
s

s
j
dt
d
iRu
ψω
ψ
++=
(1.7)
Vector từ thông Stator
s
ψ
gồm hai thành phần: thành phần do dòng Stator tự
cảm trong các cuộn dây Stator và thành phần do từ thông Rotor cảm ứng sang:
13
p
s
ss
iL
ψψ
+=
(1.8)
Trục d trùng với trục từ thông Rotor nên vector từ thông Rotor chỉ có thành
phần thực
p
ψ
:
ppqpdp
j
ψψψψ

=+=
(1.9)
Do hạn chế của công nghệ chế tạo, giữa hai nam châm trên bề mặt Rotor luôn
tồn tại khe hở nên giá trị điện cảm dọc trục L
sd
và điện cảm ngang trục L
sq
là
khác nhau. Phương trình các thành phần từ thông:





=
+=
sqsqsq
psdsdsd
iL
iL
ψ
ψψ
(1.10)
Thay hai phương trình (1.8) và (1.10) vào phương trình (1.7) ta được:








+++=
−+=
pssdsds
sq
sqsqssq
sqsqs
sd
sdsdssd
iL
dt
di
LiRu
iL
dt
di
LiRu
ψωω
ω
(1.11)
Viết lại phương trình (1.11):







−+−−=
++−=

sq
p
ssq
sq
sq
sq
sd
sq
sd
s
sq
sd
sd
sq
sd
sq
ssd
sd
sd
L
u
L
i
T
i
L
L
dt
di
u

L
i
L
L
i
Tdt
di
ψ
ωω
ω
11
11
(1.12)
Trong đó:
s
sd
sd
R
L
T
=
là hằng số thời gian dọc trục,
s
sq
sq
R
L
T =
là hằng số thời gian ngang trục.
Phương trình momen:

14
)(
2
3
s
scM
ipm
×=
ψ

)(
2
3
sdsqsqsdc
iip
ψψ
−=

)]([
2
3
sqsdsqsdsqpc
LLiiip
−+=
ψ
(1.13)
Theo (1.7), momen quay của ĐCĐB - KTVC bao gồm hai thành phần: thành
phần chính ψ
p
i

sq
và thành phần phản kháng do chênh lệch điện cảm dọc trục và
ngang trục: (L
sd
- L
sq
)i
sd
i
sq
.
Phương trình chuyển động:
dt
d
p
J
Mm
c
cM
ω
+=
(1.14)
Từ các phương trình trên ta xây dựng được mô hình liên tục của ĐCĐB -
KTVC trong hệ toạ độ dq như sau:
Hình 1.12 Mô hình liên tục của ĐCĐB - KTVC trên hệ toạ độ dq
Nhận xét:
Do tốc độ quay của rotor bằng tốc độ quay của từ trường (ω = ω
s
) nên ta không
cần khõu tớnh đến tốc độ quay của rotor như trong ĐCKĐB. Việc xác định góc

ϑ
s
rất dễ dàng bằng các Resolver hay máy phát xung có chỉnh điểm không.
Phương trình (1.12) được viết lại dưới dạng phương trình trạng thái:
15
spssss
s
SNiBuAi
dt
di
ωψω
+++=
(1.15)
Trong đó:












−
−
=
sq

sd
T
T
A
1
0
0
1
;












=
sq
sd
L
L
B
1
0
0

1
;












−
=
0
0
sq
sd
sd
sq
L
L
L
L
N
;









=
sq
L
S
1
0
. (1.16)
A: Ma trận hệ thống,
B: Ma trận đầu vào,
N: Ma trận tương tác phi tuyến,
S: Vector nhiễu,
u
s
: Vector đầu vào,
i
s:
Vector trạng thái.
Từ phương trình (1.15) ta lập được mô hình trạng thái của ĐCĐB - KTVC trên
hệ toạ độ dq như sau:
Hình 1.13 Mô hình trạng thái của ĐCĐB - KTVC trên hệ toạ độ dq
Nhận xét:
16
Do đặc điểm kích thích vĩnh cửu, vector trạng thái i
s

chỉ chứa hai thành phần
dòng Stator. Nghĩa là mô hình trạng thái cũng đồng thời là mô hình đối tượng
dòng Stator.
Đặc điểm phi tuyến yếu (thành phần phi tuyến chỉ liên quan giữa đại lượng
trạng thái và đại lượng đầu vào) của mô hình thể hiện ở tích của vector trạng
thái i
s
với biến đầu vào 
s
.
Thành phần nhiễu do từ thông cực 
p
tác động qua S vào hệ thống là nhiễu có
module hằng.
Các mô hình liên tục không thích hợp cho việc thiết kế khâu điều chỉnh vì các
thiết bị điều chỉnh (sử dụng àP, àC, DSP) làm việc gián đoạn và cũng chỉ thu
thập, xử lý giá trị thực của động cơ ở các thời điểm gián đoạn cách đều. Do đó
cần phải xây dựng được mô hình gián đoạn của động cơ.
Phương trình (1.15) được viết lại dưới dạng:
sss
s
NivBAi
dt
di
ω
++=
*
(1.17)
Với: v
T

=[u
sd
, u
sq
, 
s
]; B
*
=[B, S
p
] (1.18)
Tích phân lặp mô hình (1.17) ta thu được mô hình gián đoạn tương đương:
)()()1(
*
kvHkiki
ss
+Φ=+
(1.19)
Với:
[ ]
!
)(
0
)]([
v
T
kNAe
v
v
v

s
TkNA
s
∑
∞
=
+
+==Φ
ω
ω
*
)1(
)]([
*
BdeH
Tk
kT
kNA
s
τ
τω
∫
+
+
=
(1.20)

*
1
1

!
)]([ B
v
T
kNA
v
v
v
s
∑
∞
=
−
+=
ω
Kết quả xấp xỉ bậc nhất (cắt đuôi hai chuỗi luỹ thừa trong (1.20) sau phần tử
tuyến tính) của ma trận chuyển trạng thái
Φ
và ma trận đầu vào H
*
:
17













−−
−
=Φ
sqsq
sd
s
sd
sq
s
sd
T
T
L
L
T
L
L
T
T
T
1
1
ω
ω
;















−
=
sq
p
sq
sd
L
T
L
T
L
T
H
ψ
0
00
*

(1.21)
Tách ma trận đầu vào H
*
thành hai ma trận:
[ ]
hHH ,
*
=
với












=
sq
sd
L
T
L
T
H
0

0
;








−
=
sq
s
L
T
h
ω
0
(1.22)
Ta thu được phương trình
psss
hkHukiki
ψ
++Φ=+
)()()1(
(1.23)
Mô hình trạng thái gián đoạn cũng là mô hình dòng của ĐCĐB - KTVC được
thể hiện như hình dưới đây:
Hình 1.14 Mô hình trạng thái gián đoạn của ĐCĐB – KTVC

18
Kết luận:
Qua việc nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thành lập mô hình toán
học của ĐCĐB - KTVC ta thấy rằng ĐCĐB - KTVC đã bộc lộ nhiều ưu điểm
so với các loại động cơ khác. ĐCĐB - KTVC có cấu tạo, nguyên lý hoạt động
đơn giản, hơn nữa từ thông Rotor luôn cố định nên rất thuận lợi khi điều khiển.
Hiện nay ĐCĐB - KTVC được sử dụng rất rộng rãi nhất là trong các hệ truyền
động công suất nhỏ (vài W đến vài KW).
19
CHƯƠNG 2
ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
KÍCH THÍCH VĨNH CỬU
Nội dung của chương này sẽ đề cập đến nguyên lý điều chỉnh tốc độ ĐCĐB -
KTVC qua đó khẳng định: với một động cơ nhất định chỉ có thể điều chỉnh
được tốc độ của động cơ bằng điều chỉnh tần số nguồn cung cấp. Trên cơ sở đó
đề cập đến cấu trúc, phương pháp điều khiển biến tần, đưa ra các phương pháp
điều chỉnh tốc độ ĐCĐB - KTVC sử dụng bộ biến tần bán dẫn.
1. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Tốc độ quay của ĐCĐB được tính theo biểu thức:
c
s
s
p
f
π
ω
2
=
Trong đó: f
s

là tần số nguồn cung cấp,
p
c
là số đôi cực của động cơ.
Từ biểu thức trên ta thấy rằng: để điều chỉnh được tốc độ của động cơ thì phải
điều chỉnh tần số nguồn cung cấp hay điều chỉnh số cặp cực của động cơ. Thực
tế không thể điều chỉnh trơn tốc độ của động cơ bằng điều chỉnh số cặp cực
nờn cỏch hữu hiệu hơn cả là điều chỉnh tần số nguồn cung cấp. Do vậy trong
cấu trúc của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ bao giờ cũng có bộ biến tần.
2. Bộ biến tần bán dẫn
2.1 Bộ biến tần bán dẫn
Biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng điện từ tần số này sang tần số khác.
Trong công nghiệp biến tần được sử dụng để điều chỉnh tần số nguồn điện
cung cấp cho động cơ xoay chiều ba pha, qua đó điều chỉnh được tốc độ động
cơ.
20
Dựa vào cách thức biến đổi tần số mà biến tần được chia làm hai loại: Biến tần
trực tiếp (biến đổi tần số không thông qua khâu trung gian một chiều) và Biến
tần gián tiếp (biến đổi tần số thông qua khâu trung gian một chiều).
Với Biến tần trực tiếp chỉ có thể điều chỉnh giảm tần số trong khi với Biến tần
gián tiếp tần số được điều chỉnh dễ dàng nhờ mạch điều khiển. Do vậy trong
thực tế các bộ biến tần được sử dụng hầu hết là các bộ biến tần gián tiếp.
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần gián tiếp
Điện áp xoay chiều được chuyển thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lưu,
sau đó qua bộ lọc rồi mới được chuyển thành điện áp xoay chiều với tần số
mong muốn nhờ bộ nghịch lưu. Tần số của điện áp xoay chiều đưa ra tải chỉ
phụ thuộc vào luật điều khiển nghịch lưu nên mạch chỉnh lưu trong bộ biến tần
gián tiếp là mạch chỉnh lưu không điều khiển.
Có thể sử dụng bộ Nghịch lưu nguồn áp hay Nghịch lưu nguồn dòng để tạo ra
điện áp xoay chiều nhưng trong thực tế nguồn áp là nguồn được sử dụng rộng

rãi và được chuẩn hoá trong các bộ biến tần công nghiệp [TL - 3].
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của mạch nghịch lưu điện áp
21
Nghịch lưu trong sơ đồ biến tần nguồn áp là nghịch lưu điện áp 3 pha, trong đó
các van bán dẫn được sử dụng là các loại transistor (MOSFET, IGBT…). Ngày
nay IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) được sử dụng gần như tuyệt đối
trong các bộ biến tần vỡ nú cú ưu điểm của cả transistor bipolar (chịu được
dòng lớn) và MOSFET (điều khiển bằng áp).
Mạch nghịch lưu được nuôi bởi điện áp một chiều trung gian U
MC
. Tụ điện C
được mắc song song với nguồn để đảm bảo nguồn đầu vào là nguồn áp đồng
thời thực hiện trao đổi năng lượng phản kháng với điện cảm tải.
Mỗi pha của động cơ có thể được nối với cực dương “+” hay cực âm “-” của
U
MC
. Nếu quy ước: Các cuộn dây pha u, v, w có mức logic “1” khi được nối
với cực dương và có mức logic “0” khi được nối với cực âm của U
MC
thì với ba
pha sẽ tồn tại 8 khả năng nối pha của động cơ với U
MC
.
Bảng 2.1 Khả năng nối pha của động cơ với U
MC
stt
pha
0 1 2 3 4 5 6 7
u 0 1 1 0 0 0 1 1
v 0 0 1 1 1 0 0 1

w 0 0 0 0 1 1 1 1
Xét khả năng nối pha thứ nhất. Cuộn dây pha u được nối với cực “+” và hai
cuộn dây pha v, w được nối với cực “-” của U
MC
.
Sơ đồ thay thế:
Hình 2.3 Sơ đồ thay thế ứng với khả năng nối pha thứ nhất
Từ sơ đồ thay thế ta tính được điện áp rơi trờn cỏc cuộn dây pha:
22
u
su
=2U
MC
/3
u
sv
=u
sw
=-U
MC
/3
Do ba cuộn dây pha của động cơ được bố trí lệch nhau một góc 120
0
trong
không gian nên ta có thể thấy rằng khả năng nối pha này tương đương với việc
đặt lên ba cuộn dây pha một vector điện áp u
s
có module 2U
MC
/3.

Hình 2.4 Vector không gian ứng với khả năng nối pha thứ nhất
Chiếu u
s
lên trục các cuộn dây pha ta dễ dàng thấy được đú chớnh là các điện
áp thực sự rơi trờn cỏc cuộn dây pha.
Bảng 2.2 Điện áp rơi trờn cỏc cuộn dây pha ứng với mỗi khả năng nối pha
stt uvw u
su
u
sv
u
sw
0 000 0 0 0
1 100 2U
MC
/3 -U
MC
/3 -U
MC
/3
2 110 U
MC
/3 U
MC
/3 -2U
MC
/3
3 010 -U
MC
/3 2U

MC
/3 -U
MC
/3
4 011 -2U
MC
/3 U
MC
/3 U
MC
/3
5 001 -U
MC
/3 -U
MC
/3 2U
MC
/3
6 101 U
MC
/3 -2U
MC
/3 U
MC
/3
7 111 0 0 0
Tương tự như trên ta có thể xây dựng được vector điện áp ứng với mỗi khả
năng nối pha của động cơ. Như vậy với 8 khả năng nối pha ta sẽ có 8 vector
điện áp chuẩn u
0

, u
1
, u
2
, u
3
, u
4
, u
5
, u
6
, u
7
. Trong đó vector u
0
ứng với trường hợp
23
cả ba cuộn dây nối với cực âm, vector u
7
ứng với trường hợp cả ba cuộn dây
nối với cực dương. Cả hai vector u
0
và u
7
đều có module bằng 0.
Vị trí tương đối của các vector chuẩn so với các trục α , β như sau:
Hình 2.5 Vị trí tương đối của các vector chuẩn so với các trục α, β
Các vector chuẩn chia không gian thành 6 phần: S
1

, S
2
, S
3
, S
4
, S
5
, S
6
.
2.2 Điều khiển nghịch lưu
Để thu được điện áp xoay chiều với tần số mong muốn thỡ cỏc van bán dẫn
phải được đóng cắt theo một quy luật nhất định.
Bằng cách thực hiện các vector chuyển mạch theo một quy luật nào đó ta sẽ
phát được xung điều khiển tới các van.
Thông thường các bộ điều khiển nghịch lưu thường dùng phương pháp điều
chế độ rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation) để cải thiện chất lượng
điện áp ra tải.
24
Hình 2.6 Nguyên lý điều chế độ rộng xung
Các tín hiệu điện áp hình sin được so sánh với chuỗi xung răng cưa có tần số
lớn hơn rất nhiều tần số của hình sin. Tại thời điểm tín hiệu hình sin và tín hiệu
răng cưa bằng nhau khâu so sánh sẽ tạo xung để điều khiển các van của nghịch
lưu.
Trong nghịch lưu ỏp cỏc van động lực được khoá bởi tín hiệu điều khiển. Do
quán tính van không thể khoá tức thời nên để tránh tình trạng ngắn mạch nguồn
(khi một van chưa kịp đúng thỡ van thứ hai đã mở trong cùng một nhánh cầu),
thời điểm mở các van cần được làm trễ đi một thời gian ít nhất bằng thời gian
phục hồi tính chất điều khiển của van và được thực hiện bởi một bộ trễ. Sau đó

các tín hiệu sẽ được khuyếch đại để tạo đủ công suất mở các van động lực.
Như vậy đối với nghịch lưu áp ba pha thì ta phải cần ba bộ điều chế PWM cho
ba pha riêng biệt.
Phương pháp điều khiển nghịch lưu ở trên là phương pháp điều khiển tương tự.
Hiện nay trong các hệ truyền động điện hiện đại người ta không dùng phương
pháp này để điều khiển nghịch lưu mà dùng phương pháp điều chế vector điện
áp không gian với tín hiệu điều khiển IGBT được gửi đến từ vi xử lý hay vi
điều khiển. Theo phương pháp này bất kỳ một tín hiệu chủ đạo hình sin nào
cũng được quy đổi về các vector chuyển mạch chuẩn. Dựa trên các vector
chuyển mạch chuẩn này sẽ tính được thời gian đóng cắt của mỗi van trong một
chu kỳ trích mẫu, từ đó sẽ tạo được các xung điều khiển van. Hơn nữa với
phương pháp điều chế vector thì ta chỉ cần một bộ điều chế duy nhất cho cả ba
pha thay vì phải dùng ba bộ điều chế cho ba pha riêng biệt như trong kỹ thuật
điều khiển tương tự.
Giả sử vector cần thực hiện u
s
nằm ở góc phần sáu S
1
, khoảng giữa hai vector
chuẩn u
1
, u
2
.
25