Điều khiển động cơ IPM sử dụng pp cực đại tỉ số momendòng điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hà Nội, 6-2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IPM SỬ DỤNG PHƯƠNG
PHÁP MOMEN TRÊN DÒNG ĐIỆN CỰC ĐẠI
Trưởng bộ môn : TS. Trần Trọng Minh
Giáo viên hướng dẫn : ThS. Lê Minh Hà
Sinh viên thực hiện : Đỗ Văn Trường
Lớp : ĐK - TĐH6 - K55
MSSV : 20102391
Hà Nội, 6-2015
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Tên đề tài: ” Thiết kế điều khiển
động cơ IPM sử dụng phương pháp momen trên dòng điện cực đại” do em tự thiết
kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo ThS. Lê Minh Hà. Các số liệu và kết quả là hoàn
toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu

phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 17 tháng 06 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Đỗ Văn Trường
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii
iii
LỜI NÓI ĐẦU 4
Chương 1 5
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM
5
1.1.Sơ lược về các loại động cơ đồng bộ 5
1.1.1.Khái quát về động cơ xoay chiều đồng bộ 3 pha 5
1.1.2.Phân loại động cơ đồng bộ 5
1.2.Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 6
1.2.1.Cấu tạo động cơ IPM 7
1.2.2.Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ 8
1.2.3.Đặc tính cơ của động cơ IPM 9
1.2.4.Ứng dụng cho động cơ IPM 11
VECTOR KHÔNG GIAN - MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ 12
2.1.Vector không gian của các dại lượng xoay chiều ba pha 12
2.1.1.Xây dựng vector không gian 12
2.1.2.Chuyển hệ tọa độ cho các vector không gian 15
2.2.Mô hình toán học của động cơ IPM 17
2.2.1.Đặt vấn đề 17
2.2.2.Mô hình hóa động cơ IPM trên hệ tọa độ d-q 19
CÁC CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ 23
3.1.Tổng hợp các phương pháp điều khiển cho động cơ 23

3.2.Chiến lược điều khiển MTPA 24
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHO ĐỘNG CƠ 33
4.1.Thiết kế bộ điều khiển cho động cơ 33
4.1.1.Mạch vòng dòng điện 34
4.1.2.Mạch vòng tốc độ 38
4.2.Kết quả mô phỏng 40
4.2.1.Kết quả hiển thị 40
KẾT LUẬN 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO 50
PHỤ LỤC 51
Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
i
Danh mục bảng số liệu
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
ii
Danh mục từ viết tắt
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ĐB NCVC Đồng bộ nam châm vĩnh cửu
PM Permanent-Magnet Động cơ nam châm vĩnh cửu
SPM Surface Permanent-Magnet Động cơ nam châm vĩnh cửu bề mặt
MTPA Maximun torque per amp Cực đại momen trên dòng
F-W Flux-Weakening Vùng giảm từ thông
FOC Field Orientated Control Điều khiển định hướng từ thông FOC
DTC Direct Torque Control Điều khiển mô men trực tiếp
iii
Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Những năm gần đây cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, vi
sử lý, công nghệ bán dẫn và kĩ thuật điều khiển đã tạo nên sự chuyển biến cơ bản trong

hướng đi cho giải pháp tự động hóa công nghiệp.
Trong những hệ thống điều khiển TĐĐ cần sự chính xác về vị trí cũng như tốc
độ ví dụ như điều khiển robot, cơ cấu nâng hạ, dây chuyền sản xuất,… thì việc sử
dụng hệ truyền động servo là phù hợp những yêu cầu này.Với những ưu điểm vượt trội
so với các động cơ khác cùng với việc sử dụng cấu trúc điều khiển hiện đại thì động cơ
đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu được sử dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực.
Vì vậy có nhiều phương pháp điều khiển hiện đại được đề xuất cho việc điều khiển các
hệ truyền động.
Trong các phương pháp điều khiển đó em được giao đề tài đồ án tốt nghiệp với nội
dung: ” Thiết kế điều khiển động cơ IPM sử dụng phương pháp momen trên dòng
điện cực đại”. Nội dung gồm các chương :
• Chương 1 : Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm
• Chương 2 : Không gian vector - Mô hình hóa động cơ IPM
• Chương 3 : Các chiến lược điều khiển cho động cơ IPM
• Chương 4 : Thiết kế bộ điều khiển và kết quả mô phỏng cho động cơ
Trong quá trình làm đồ án, được sự giúp đỡ tận tình của thầy ThS. Lê Minh Hà
đến nay em đã hoàn thành được đồ án tốt nghiệp với đầy đủ nội dung yêu cầu. Tuy nhiên
do khả năng kiến thức bản thân còn hạn chế, thời gian có hạn nên đồ án còn nhiều thiếu
sót. Rất mong sự góp ý của thầy cô và các bạn để bổ xung những phần thiếu sót trong đề
tài này.
Hà Nội, ngày 17 tháng 06 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Đỗ Văn Trường
4
Chương 1:Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU CỰC CHÌM
1.1. Sơ lược về các loại động cơ đồng bộ
1.1.1. Khái quát về động cơ xoay chiều đồng bộ 3 pha

Động cơ đồng bộ 3 pha có tốc độ quay của roto (n) bằng tốc độ quay của từ trường
(n1). Ở chế độ xác lập động cơ điện đồng bộ có tốc độ quay của roto luôn luôn không đổi
khi tải thay đổi, tùy thuộc vào tần số của nguồn và số đôi cặp cực.
Tốc độ quay động cơ được tính bằng biểu thức sau:
2
s
s
c
f
p
π
ω
=
(1.1)
Trong đó:
s
f
là tần số nguồn cung cấp,
c
p
là số đôi cặp cực của động cơ.
Động cơ đồng bộ nói chung, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng là
những máy phát điện xoay chiều gồm hai phần stator và rotor, phần cảm đặt ở rotor
và phần ứng đặt ở stator. Với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì phần cảm ứng
được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề mặt
phần cảm ứng. Các thanh nam châm được làm bằng đất hiếm ví dụ như Samariu-
cobalt(SmCO
5
, SmCO
7

) hoặc Neodymium-iron-boron (NdFeB), là các nam châm có
năng suất năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn trên về mặt hoặc bên
trong lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao, nhất là khi tốc độ làm việc cao thì
khe hở giữa các nam châm có thể đắp bằng vật liệu từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ
bền cao , ví dụ như sợi thủy tinh hoặc bắt bu lông vít lên các thanh nam châm.
1.1.2. Phân loại động cơ đồng bộ
Động cơ đồng bộ xoay chiều 3 pha có thể phân loại làm hai loại chính:
-
Loại roto có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vài trăm tới vài MW. Cuộn
kích từ được cuốn theo cực ẩn hay cực lồi.
-
Loại roto nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ.
5
Chương 1:Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm
Hiện nay còn có động cơ đặc biệt( động cơ bước).
1.2. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Dựa vào loại sức phản điện động trên stator động cơ đồng bộ xoay chiều ba
pha(PMAC) có thể chia làm 2 loại dạng hình sin (PMSM) và dạng hình thang (BLDC)
Hình 1.1: Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu
Loại động cơ có sức phản điện động hình thang (PMAC) còn được gọi là động cơ
một chiều không chổi than(BLDC). Điểm khác biệt cơ bản so với những động cơ đồng
bộ khác là sức phản điện động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu trúc
dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây quấn phân tán). Dạng
sóng sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động
cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh mômen cao, hiệu suất cao.
Dựa vào vị trí nam châm trong rotor người ta phân động cơ có sức phản điện
động hình sin(PMAC) thành 2 loại động cơ đồng bộ nam châm bề mặt (SPMSM) và
động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM)
-
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí mặt

ngoài ( SPM: Simusoidal Surface Magnet Machine)
6
Chương 1:Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm
-
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí chìm
bên trong (IPM: Simusoidal Interior Magnet Machine)
1.2.1. Cấu tạo động cơ IPM
Hình 1.2: Động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM)
Động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu (ĐB NCVC) có rotor là NCVC
và dây quấn 3 pha ở stator. Trong động cơ đồng bộ NCVC thường kèm theo các cảm
biến vị trí và cảm biến tốc độ sử dụng cho hệ truyền động servo. ĐB NCVC thường được
cấp hoặc điều khiển từ một biến tần nguồn áp hoặc nguồn dòng với điều khiển tần số và
điện áp theo quy luật yêu cầu.
Động cơ IPM ( Interior Permanent Magnet), còn gọi là động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu cực chìm, thuộc loại động cơ đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu.
Trong đó phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí dưới bề mặt
rotor. Các thanh nam châm thường được làm bằng đất hiếm, là các nam châm có suất
năng lượng cao và giảm tối đa hiệu ứng khử từ. Rotor của động cơ IPM thường làm bằng
thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ sau đó gia cong phay rãnh để đặt
các thanh nam châm. Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt được cấu trúc
cơ học bền vững hơn, kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc. Tốc độ
loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường có dạng hình trống với tỉ số
“chiều dài/đường kính” lớn.
7
Nam châm
vĩnh cửu
Miếng đệm không có
từ tính
Chương 1:Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm
Cấu trúc nam châm vĩnh cửu cực chìm các thanh nam châm được lắp bên trong lõi

thép rotor về mặt vật lý không có sự thay đổi nào của bề mặt hình học các thanh nam
châm. Mỗi thanh nam châm được bọc bởi một mảng thép nên nó làm mạch từ của máy
thay đổi mạnh, vì do các mảnh thép này tạo ra các đường dẫn từ thông cắt ngang các cực
này và cả không gian vuông góc với từ thông nam châm. Do đó hiệu ứng lồi là rất rõ ràng
và nó làm thay đổi cơ chế sinh momen của động cơ.
Hình 1.3:Thành phần ngang trục và dọc trục động cơ IPM
1.2.2. Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ
Để nghiên cứu, phân tích các quá trình điện từ xảy ra bên trong động cơ và xây
dựng đặc tính của chúng người ta thường sử dụng sơ đồ thay thế một pha với các giả thiết
như sau:
-
Ba pha của động cơ là đối xứng, điện áp nguồn hình sin đối xứng.
-
Các thông số của động cơ không đổi.
-
Dòng điện một chiều kích từ không thay đổi.
-
Bỏ qua các hao tổn về cơ và hao tổn phụ.
-
Bỏ qua các ảnh hưởng của từ trường bậc cao trong máy.
8
Trục dTrục d
Trục q
Trục q
Chương 1:Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm
Ta mô tả đại lượng điện áp và dòng điện ở các dạng vector phức, ta có phương
trình điện áp cho mỗi pha của động cơ như sau:
( )U E I R JX= + +
(1.2)
Trong đó U: là điện áp pha

w
E 2 fK N
π φ
=
: sức điện động phần ứng
I: Dòng chạy trong mạch phần ứng
R: Điện trở phần ứng
X: Điện kháng phần ứng
Từ phương trình 1.2 ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ như sau:
Hình 1.4: Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ
1.2.3. Đặc tính cơ của động cơ IPM
Khi đóng stator động cơ đồng bộ vào nguồn điện có tần số f
s
không đổi, động cơ
sẽ quay với tốc độ đồng bộ là:
1
1
2
c
f
p
π
ω
=
(1.3)
Trong phạm vi momen cho phép M≤M
max
, đặc tính cơ là cứng tuyệt đối, đặc tính
cơ của động cơ đồng bộ như sau:
9

Chương 1:Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm
Hình 1.5:Đặc tính cơ của động cơ IPM
Khi momen vượt qua giá trị M
max
tốc độ động cơ sẽ mất dần tính đồng bộ. Trong
hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ người ta còn sử dụng đặc tính góc:
( )M f
θ
=
.
Hình 1.6: Đồ thị vector của động cơ IPM
Từ đồ thị vector hình(1.6) ta có thể viết:
cos cos sin
s sq sd
I I I
ϕ θ θ
= −
(1.4)
Công suất động cơ nhận được từ lưới cũng coi gần đúng như công suất điện từ:
3 ( cos sin )
s sqđ đt sd
P P U I I
θ θ
= = −
(1.5)
Các thành phần dòng điện trên các trục:
cos sin
I ;
s s
sd sq

sd sq
U E U
I
X X
θ θ
−
= =
(1.6)
10
Chương 1:Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm
Thế các biểu thức (1.6) vào (1.7) ta thu được phương trình
2
( )
3
sin 3 sin
2
sd sq
s
s
sd sd s
đt
q
X X
U E
P U
X X X
θ θ
−
= +
(1.7)

Từ đó tính được momen điện từ của động cơ
2
( )
3
sin sin
2 2
sd sq
c s
s
sd sd sq
X X
p U E
M U
X X X
θ θ
ω
 
−
= +
 
 
 
(1.8)
2
3 1 1
3 sin ( )sin 2
2
d q d
EU U
M

X X X
θ θ
ω ω
= + −
(1.9)
Với X
d
, X
q
là điện kháng dọc trục và điện kháng ngang trục
Đường cong biểu diễn M là tổng của 2 thành phần:
1
3 sin
d
EU
M
X
θ
ω
=
(1.10)
2
2
3 1 1
( )sin 2
2
q d
U
M
X X

θ
ω
= −
(1.11)
1.2.4. Ứng dụng cho động cơ IPM
Gần đây động cơ đồng bộ ngày càng ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng thực tế
như trong các phương tiện giao thông các máy công cụ như máy nén khí, máy nghiền và
máy kéo tàu.
Về động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho ô tô điện.
Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor
(SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt. Động cơ IPM có nam châm được gắn chìm
bên trong rotor (hình 1.2), dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang
trục (hình 1.3), từ đó tạo khả năng sinh mômen từ trở (Reluctance Torque) cộng thêm vào
mômen vốn có do nam châm sinh ra (Magnet Torque) như (hình 3.2). Đặc tính này khiến
động cơ IPM có khả năng sinh mômen rất cao, đặc biệt phù hợp cho ô tô điện. Mặt khác,
động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho
phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ, làm việc tốt ở vùng công suất không đổi.
11
Chương 2: Vector không gian –Mô hình hóa động cơ IPM
Chương 2.
VECTOR KHÔNG GIAN - MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ
2.1. Vector không gian của các dại lượng xoay chiều ba pha
2.1.1. Xây dựng vector không gian
Động cơ xoay chiều ba pha nói chung, động cơ đồng bộ nói riêng trên stato đều
được đặt 3 cuộn dây có dòng điện 3 pha chạy qua.
Hình 2.1:Sơ đồ cuộn dây và dòng stato của động cơ
Dòng điện 3 pha từ lưới chảy vào 3 cuộn dây stato của động cơ là i
sa
(t), i
sb

(t),i
sc
(t)
chúng phải thỏa mãn phương trình sau:
( ) ( ) ( ) 0
sa sb sc
i t i t i t+ + =
(2.1)
Trong đó từng biểu thức thỏa mãn
0
0
( ) cos( )
( ) cos( 120 )
( ) cos( 240 )
sa s s
sb s s
sc s s
i t i t
i t i t
i t i t
ω
ω
ω
=
= −
= −
(2.2)
12
Chương 2: Vector không gian –Mô hình hóa động cơ IPM
Về phương diện mặt phẳng cơ học trên stato của động cơ xoay chiều ba pha có 3

cuộn dây đặt lệch nhau một góc 120
o
. Nếu trên mặt cắt thiết lập 1 hệ tọa độ phức có trục
trùng với trục cuộn dây pha A. Ta xây dựng không gian vector như sau
2
2
( ) ( ) ( ) ( )
3
s sa sb sc
i t i t ai t a i t
 
= + +
 
(2.3)
Trong công thức trên : a= e
j120
, a
2
=e
j240
là toán tử quay
Hình 2.2 : thiết lập vector không gian đại lượng 3 pha
Vector i
s
(t) là vector có modun không đổi và quay trên mặt phẳng phức với một
tốc độ góc
2
s s
f
ω π

=
và tạo với trục thực một góc
s
t
γ ω
=
(trong đó f
s
là tần số mạch
stato). Việc xây dựng mô hình i
s
(t) được mô tả trên hình 2.2
Qua hình 2.2 dễ dàng nhận thấy các dòng điện từng pha chính là hình chiếu của
vector i
s
mới thu được trên các cuộn dây pha tương ứng
Các đại lượng khác như điện áp, từ thông ta đều có thể xây dựng được vector
không gian tương ứng với các dòng điện trên. Trong hệ tọa độ trục thực(Re) là trục
α
,
trục ảo (Im) là trục
β
và hệ tọa độ gọi là hệ tọa độ cố định stator. Chiếu vector i
s
(t) lên
hai trục (
αβ
) ta thu được hai dòng
s
i

α
và
s
i
β
tương ứng là 2 dòng điện hình sin. Ta có thể
13
Chương 2: Vector không gian –Mô hình hóa động cơ IPM
hình dung ra 1 động cơ tương ứng vơi hai cuộn dây cố định
α
và
β
thay cho 3 cuộn dây
A,B,C và dòng chảy qua 2 cuộn dây là
s
i
α
và
s
i
β
.
Xét khi biết dòng i
sa
, i
sb
và trục A trùng với trục thực
α
ta có
1

( 2 )
3
s a
s sa sb
i i
i i i
α
β
=
= +
(2.4)
Hình 2.3:Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng không gian vector với các phần tử
s
i
α
và
s
i
β
thuộc hệ tọa độ stator cố định
( )
αβ
Tương tự ta có thể viết cho các vector điện áp stator, dòng điện rotor, từ thông
stator từ thông rotor trên hệ trục
( )
αβ
như sau:
s s s
s s s
r r r

r r r
s s s
i i ji
u u ju
i i ji
j
j
α β
α β
α β
α β
α β
ψ ψ ψ
ψ ψ ψ
= +
= +
= +
= +
= +
(2.5)
14
Chương 2: Vector không gian –Mô hình hóa động cơ IPM
2.1.2. Chuyển hệ tọa độ cho các vector không gian
Xét hệ tọa độ tổng quát x,y và hệ tọa độ thứ 2 x*y* điểm chung là gốc tọa độ 0
nằm lệch so với hệ tọa độ xy một góc . Quan sát 1 vector bất kì ta có.
Hình 2.4: chuyển hệ tọa độ vector không gian bất kì
v

Xét trong hệ tọa độ xy:
v x jy

= +
(2.6)
Xét trong hệ tọa độ x*y*:
* * *v x jy
= +

(2.7)
Từ hình 2.4 ta có kết quả như sau:
* cos sin
y* sin cos
x x y
x y
θ θ
θ θ
= +
= − +
(2.8)
Thay (2.8) vào (2.7) ta thu được
* ( cos sin ) j( sin cos )
( )(cos sin ) .
j
v x y x y
x jy j v e
θ
θ θ θ θ
θ θ
−
= + + − +
= + − =
(2.9)

Như vậy chuyển đổi một vector bất kì hệ tọa độ xy sang x*y* lệch nhau 1 góc được
thực hiện bằng công thức tổng quát sau:
*. * .
j j
v v e v v e
θ θ
−
= ⇔ =
(2.10)
15
Chương 2: Vector không gian –Mô hình hóa động cơ IPM
Hai hệ tọa độ xy và x*y* ở 2 hệ trục tọa độ lệch nhau một góc
θ
là không đổi. Nhưng
thực tế góc
θ
biến thiên với vận tốc góc
k
d
dt
θ
ω
=
, trong trường hợp này hệ tọa độ x*y*
trở thành hệ tọa độ quay với vận tốc góc là
k
ω
xung quanh hệ tọa độ của hệ trục xy. Quay
lại với vector dòng stator xét trên hình 2.3, hệ tọa độ
αβ

trùng với hệ tọa độ xy trong
hình 2.4. Giả sử quan sát động cơ xoay chiều ba pha có rotor quay với vận tốc góc
r
r
d
dt
θ
ω
=
( trong đó góc
r
θ
là góc tạo bởi trục rotor và trục chuẩn
α
trùng với trục cuộn
dây A)
Trong hình 2.5 biểu diễn cả 2 vector dòng stator và từ thông rotor
r
ψ
. Vector từ thông
quay với vận tốc góc
2
s
s s
d
f
dt
θ
ω π
= =

với f
s
là tần số của nguồn điện đưa vào mạch stator.
Trên hình 2.5 là động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ thì trục từ thông rotor cũng là trục
rotor. Trong trường hợp này
r s
ω ω
=
Hình 2.5:biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ tựa từ thông
Nếu ta xây dựng một hệ tọa độ
αβ
có trục thực trùng với trục của rotor và gốc tọa độ
trùng với gốc tọa độ hệ trục gọi là hệ tọa độ d-q như vậy hệ tọa độ d-q quay xung quanh
điểm gốc chung với vận tốc góc là
s
ω
và vector i
s
có các thành phần mới theo các hệ tọa
16
Chương 2: Vector không gian –Mô hình hóa động cơ IPM
độ d-q là i
sd
và i
sq
. Để có thể nhận biết các vector đang quan sát trên hệ tọa độ nào ta quy
ước
i
s
s

là vector dòng điện quan sát trên hệ trục tọa độ
αβ

i
s
f
là vector dòng điện quan sát trên hệ trục tọa độ d-q
Tương tự các đại lượng khác cũng được quy ước như vậy từ đó ta có:
s
s s s
f
s sd sq
i i ji
i i ji
α β
= +
= +
(2.11)
Nếu biết góc
s
θ
ta có thể tính được bằng công thức 2.10
.
f s j
s s
i i e
θ
−
=
(2.12)

Hoặc
sin cos
cos sin
sd s s s s
sq s s s s
i i i
i i i
β α
β α
θ θ
θ θ
= +
= −
(2.13)
Một cách tương tự đối với vector dòng điện stator có thể viết tất cả các vector còn lại trên
hệ tọa độ d-q.
f
s sd sq
f
r rd rq
f
r rd rq
f
s sd sq
u u ju
i i ji
j
j
ψ ψ ψ
ψ ψ ψ

= +
= +
= +
= +
(2.14)
Tóm lại: việc xây dựng vector không gian cho các đại lượng ba pha của ĐCXCBP và
chuyển các vector đó quan sát trên hệ tọa độ từ thông rotor đã đưa đến tỉ lệ từ thông,
momen quay với các thành phần vector dòng điện stator cho phép ta xây dựng hệ thống
truyền động cho động cơ xoay chiều 3 pha tương tự động cơ 1 chiều.
2.2. Mô hình toán học của động cơ IPM
2.2.1. Đặt vấn đề
Để xây dựng , thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến
mức tối đa đối tượng cần điều chỉnh . Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc
tính thời gian của đối tượng điều chỉnh . Tuy nhiên mô hình được xây dựng chủ yếu là
17
Chương 2: Vector không gian –Mô hình hóa động cơ IPM
để phục vụ cho xây dựng các thuật toán điều chỉnh chứ không phải mô tả chính xác về
mặt toán học đối tượng động cơ. Điều đó dẫn đến các điều kiện được giả thiết khi thiết
lập mô hình . Các điều kiện nhằm đơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế sau
này ,mặt khác nó gây nên sai lệch cho phép nhất định giữa đối tượng và mô hình .Sau
này các sai lệch đó phải được loại trừ bằng các phương pháp thuộc về kỹ thuật điều
chỉnh .
Về phương diện động động cơ đồng bộ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân
bậc cao . Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian , vì các mạch từ
móc vòng ta phải chấp nhận các điều kiện sau đây khi mô hình hóa động cơ.
-
Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian
-
Các tổn hao sắt từ và bão hòa từ có thể bỏ qua
-

Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi
Phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator của động cơ
( )
( )
( )
sa
sb
sc
sa s sa
sb s sb
sc s sc
d
U t R i
dt
d
U t R i
dt
d
U t R i
dt
ψ
ψ
ψ

= +



= +




= +


(2.15)
Trong đó:
R
s
: là điện trở của cuộn dây stator
, ,
a b c
ψ ψ ψ
: là từ thông stator của cuộn dây
U
sa
, U
sb
, U
sc
: điện áp pha a,b,c
Để đơn giản hóa mô hình động cơ dùng phép chuyển đổi của hệ tọa độ đưa hệ thống từ 3
pha từ ( a,b,c) sang hệ tọa độ dq. Hệ tọa độ dq là hệ tọa độ tựa từ thông roto.
Ma trận chuyển đổi
2 4
cos( ) cos( )
cos( )
2
3 3
sin( ) 2 4

3
sin( ) sin( )
3 3
sa
sd
sb
sq
sc
U
U
U
U
U
π π
θ θ
θ
θ π π
θ θ
 
 
− −
 
 
 
=
 
 
 
−
 

 
− − − −
 
 
 
 
(2.16)
U
sd
, U
sq
là thành phần d,q của vector điện áp stator
18
Chương 2: Vector không gian –Mô hình hóa động cơ IPM
θ
là góc giữa trục chuẩn (quy ước là trục đi qua cuộn dây pha a) và trục rotor
2.2.2. Mô hình hóa động cơ IPM trên hệ tọa độ d-q
Sơ đồ thay thế động cơ IPM:
Hình 2.6:Sơ đồ thay thế cho động cơ IPM
Ta có phương trình điện áp stator:
s
s s s
d
U R I
dt
ψ
= +
(2.17)
Chuyển phương trình từ hệ thống 3 pha cuộn dây pha của stator sang hệ tọa độ
đồng bộ từ thông ta sẽ thu được:

s
s s s s s
d
U R I j
dt
ψ
ωψ
= + +
(2.18)
Quan hệ giữa từ thông stator và rotor được mô tả như sau:
s s s p
L I
ψ ψ
= +
(2.19)
Trong đó
p
ψ
là vector từ thông cực. Vì trục d của tọa độ trùng với trục của từ thông cực,
thành phần vuông góc ( thành phần trục q ) của
p
ψ
sẽ bằng 0. Vậy là vector từ thông cực
chỉ có duy nhất thành phần thực
p
ψ
.
Từ đó ta có phương trình thành phần từ thông:
sd sd sd p
sq sq sq

L I
L I
ψ ψ
ψ
= +
=
(2.20)
Dựa vào sơ đồ thay thế ta tính được:
19
Chương 2: Vector không gian –Mô hình hóa động cơ IPM
0
0
d s sq
q s sd
U
U
ω λ
ω λ
= −
=
(2.21)
Thay (2.20) vào (2.21) ta thu được phương trình

0
0
( )
d s sq sq
q s sd sd p
U L I
U L I

ω
ω ψ
= −
= +
(2.22)
Thay hai phương trình (2-4), (2-6) vào (2-3) ta được:
sd
sd s sd sd s sq sq
sq
sq s sq sq s sd sd s p
di
U R I L L i
dt
di
U R I L L i
dt
ω
ω ω ψ

= + −




= + + +


(2.23)
Từ phương trình momen tổng quát của máy điệnh từ trường quay ta có:

3
( )
2
M c sd sq sq sd
M p i i
ψ ψ
= −
(2.24)
Sau khi thay (2.20) vào (2.22) ta tiếp tục thu được phương trình tính momen quay
của động cơ đồng bộ.
3
( (L L ))
2
M c p sq sd sq sd sq
M p i i i
ψ
= − −
(2.25)
Theo (2.22) momen quay của động cơ đồng bộ bao gồm 2 thành phần: thành phần
chính
p sq
i
ψ
và thành phần phản kháng do chênh lệch
L L
sd sq
−
gây nên.
Ta viết lại phương trình (2.19)
1 1

1 1
sq
sd
sd s sd
sd sd sd
sq sq p
s sq sq s
sd sq sq sq
L
di
i U
dt T L L
di L
i U
dt L T L L
ω
ψ
ω ω

= − + +




= − − + −


(2.26)
Từ phương trình (2.24) ta laplace hóa thu được:
1

( )
1
1
( )
1
sq
sd
sd s sq sd
sd sd sd
sq p
sd
sq s sq sq s
sq sq sq sq
L
T
i i U
pT L L
T
L
i i U
pT L L L
ω
ψ
ω ω

= − +

+




= − + −

+

(2.27)
Với L
sd
: điện cảm stator đo ở vị trí đỉnh cực( vị trí trục d)
20