NGHIÊN cứu PHÁT TRIỂN hệ THỐNG điều KHIỂN tốc độ ĐỘNG cơ XOAY CHIỀU BA PHA sử DỤNG GIẢI PHÁP INSTASPIN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
TRẦN THỊ NINH
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA SỬ DỤNG GIẢI PHÁP INSTASPIN
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Thái Nguyên, 2014
1
2
Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thị Mai Hương

Phản biện 1: TS. Đỗ Trung Hải
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
Họp tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Vào hồi 07h00 ngày 14 tháng 9 năm 2014.
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
3
MỞ ĐẦU
Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ một
chiều: hệ số công suất cao, vận hành tin cậy, giá thành chế tạo và chi
phí vận hành thấp. Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến với đa thông số
nên điều khiển động cơ không đồng bộ là rất khó khăn.
Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ
thuật bán dẫn công suất lớn, nhiều phương pháp điều khiển hiệu quả
đã được đề xuất cho điều khiển động cơ không đồng bộ. Vì lý do

này, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong hệ thống
điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần cho động cơ
một chiều.
Gói giải pháp InstaSpin là các thuật toán và phần mềm sử
dụng cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều (biến
tần) trên nền tảng các vi điều khiển sản xuất gần đây. Các phần mềm
nói trên được tích hợp ngay bên trong của vi điều khiển nên sẽ rất dễ
dàng trong việc phát triển ứng dụng.
Bộ DRV8312-69M là một thiết bị dựa trên công nghệ của
hãng InstaSpin để điều khiển đánh giá động cơ. Bằng cách sử dụng
công nghệ mới InstaSpin, DRV8312-69M cho phép nhận dạng nhanh
chóng, tự động điều chỉnh và điều khiển động cơ theo yêu cầu công
nghệ. Cùng với công nghệ InstaSpin, DRV8312-69M cung cấp một
hệ thống làm việc với hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra,
khi sử dụng thiết bị này trong sơ đồ mạch, động cơ được nối trực tiếp
với DRV8312-69M mà không cần phải qua các thiết bị hỗ trợ khác.
Vì vậy với yêu cầu cấp thiết trên, tôi xây dựng đề tài nghiên
cứu khoa học:
4
“Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay
chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin.”
Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu chính là thiết kế được bộ điều khiển tốc độ động cơ
xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin. Qua đó nghiên cứu
về các bộ điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều, ưu nhược điểm của
từng bộ điều khiển. Mục tiêu cụ thể như sau:
- Phân tích các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều.
- Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha
sử dụng giải pháp InstaSpin.
- Tiến hành thí nghiệm để phân tích đánh giá chất lượng thực của

hệ thống nhằm tiếp tục phát triển, hoàn thiện và hiện thực hóa
đề tài.
Nội dung luận văn:
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương1: Tổng quan về các bộ điều chỉnh tốc độ động cơ xoay
chiều ba pha
Chương 2: Mô hình hóa động cơ xoay chiều ba pha
Chương 3: Nghiên cứu giải pháp InstaSpin.
Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều
ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin.
Kết luận và kiến nghị
5
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
XOAY CHIỀU BA PHA
1.1. Tổng quan về động cơ xoay chiều ba pha
1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba
pha
1.2.1. Điều chỉnh điện áp Stato
1.2.2. Điều chỉnh điện trở Rotor
1.2.3. Điều chỉnh công suất trượt
1.2.4. Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp Stato
1.3. Kết luận chương 1
Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan được những nét cơ bản nhất về động cơ xoay
chiều ba pha.
- Lựa chọn được động cơ để nghiên cứu là động cơ không
đồng bộ.
- Giới thiệu được các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
xoay chiều ba pha.

Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về động cơ xoay chiều ba pha,
trong chương 2 sẽ đi nghiên cứu mô hình hóa động cơ xoay chiều ba
pha.
6
CHƯƠNG 2
MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA
2.1 Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ ba pha rotor
lồng sóc
2.2.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ
2.2.1.1. Phương trình điện áp Stato
Phương trình tổng quát điện áp Stato:
* Hệ tọa độ cố định trên stator (hệ tọa độ αβ)
Trường hợp này xảy ra khi ω
k
=0. Phương trình điện áp stator giữ
nguyên dạng ban đầu của nó.
* Hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ dq)
Trường hợp này xảy ra khi ω
k
= ω
s
. Thay vào (2.10) ta có phương
trình điện áp stator trên hệ tọa độ dq:
2.1.1.2. Phương trình điện áp rotor
Phương trình tổng quát cho điện áp rotor:
* Hệ tọa độ cố định trên stator (hệ tọa độ αβ)
* Hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ dq)
2.1.2 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator
Hệ phương trình mô tả đầy đủ phần hệ thống điện của động cơ không
đồng bộ như sau:

∫
(t)
7
Hệ phương trình (2.19a, b, c, d) có thể được viết lại dưới dạng sau:
Phương trình (2.24) là phương trình trạng thái của ĐCKĐB, với:
là vector đại lượng đầu vào với các phần tử là số thực
là vector trạng thái với các phần tử là số thực
là ma trận hệ thống và là ma trận đầu vào
Mô hình trạng thái (2.24) được minh họa như sau:
Hình 2.2: Mô hình tổng quan của ĐCKĐB trong không gian trạng thái
2.1.3. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ từ thông
rotor
Mô hình trạng thái phi tuyến của động cơ không đòng bộ trong
trường hợp động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp như sau:
Trong đó:
là vector đại lượng đầu vào (vector điện áp stator) với các phần tử là
số thực
là vector trạng thái với các phần tử là số thực
là ma trận hệ thống, là ma trận đầu vào, là ma trận ghép phi tuyến
là đại lượng đầu vào thứ ba.
Ta có mô hình tổng quan của ĐCKĐB trong không gian trạng thái
trên cơ sở hệ tọa độ dq
∫
(t)
Phần phi tuyến
Nửa mô hình trên
Nửa mô hình dưới
8
Hình 2.4: Mô hình tổng quan của ĐCKĐB trong không gian trạng
thái trên cơ sở hệ tọa độ dq

2.2. Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB
2.2.1. Mô hình gián đoạn của động cơ trên hệ tọa độ stator
Từ hệ phương trình (2.40a, b) ta có mô hình gián đoạn của ĐCKĐB
trên hệ tọa độ αβ như sau:
9
Hình 2.5: Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ αβ
Nửa mô hình trên
Nửa mô hình dưới
10
2.2.2. Mô hình gián đoạn của động cơ trên hệ tọa độ từ thông
rotor
Hình 2.6: Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq
MHTT
ω
ω
ĐCTĐQ
ω
CĐTi
3
2
Máy đo tốc độ quay
ĐCKĐB
M 3~
u v w
3~
ĐCTT
DTT
CĐTu
ĐCVTKG
ĐCD

11
2.3. Cấu trúc cơ bản của một hệ truyền động dùng động cơ
không đồng bộ điều khiển tựa theo từ thông rotor
Hình 2.8: Cấu trúc hiên đại của một hệ truyền động dùng động cơ không
đồng bộ nuôi bởi biến tần nguồn áp và điều chỉnh tựa theo từ thông rotor.
2.4. Kết luận chương 2
Chương 2 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Xây dựng được mô hình liên tục của động cơkhông đồng bộ ba pha
rotor lồng sóc trên hệ tọa độ stator và hệ tọa độ từ thông rotor.
- Xây dựng mô hình gián đoạn của động cơ không đồng bộ ba pha
rotor lồng sóc trên hệ tọa độ stator và hệ tọa độ từ thông rotor.
- Xây dựng cấu trúc cơ bản của một hệ truyền động dùng động cơ
không đồng bộ ba pha điều khiển tựa theo từ thông rotor.
12
CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP INSTASPIN
3.1. Giới thiệu gói giải pháp InstaSpin
Gói giải pháp này cho phép điều khiển nhanh chóng và dễ
dàng với tất cả động cơ ba pha mà không yêu cầu thông số kỹ thuật
của động cơ [5]. Ngoài ra, công nghệ này không sử dụng cảm biến
nên giá thành tiết kiệm hơn so với những công nghệ khác.
Giải pháp InstaSpin bao gồm nhiều giải pháp, trong phạm vi
luận văn này, tác giả chỉ nghiên cứu giải pháp InstaSpin- FOC (Field
oriented control- điều khiển tựa theo từ thông).
Giải pháp này giúp tự động nhận dạng và điều chỉnh ở tất cả
các tốc độ và các loại tải của động cơ [4]. Công nghệ InstaSpin
TM
-
FOC cho phép người thiết kế- ngay cả những người ít kinh nghiệm
về điều chỉnh động cơ có thể xác định, điều chỉnh và điều khiển hoàn

toàn bất kỳ loại động cơ ba pha nào, thay đổi tốc độ, không cảm
biến, điều khiển động cơ đồng bộ hay không đồng bộ chỉ trong vài
phút. Công nghệ mới này không cần đến bộ cảm biến cơ làm giảm
chi phí cho hệ thống và cải thiện hoạt động sử dụng phần mềm mã
hóa mới (khâu quan sát không cảm biến), FAST
TM
(từ thông, góc, tốc
độ và momen) được gắn trong bộ nhớ ROM của thiết bị Piccolo. Đây
là giải pháp cao cấp để cải thiện hiệu suất động cơ và độ tin cậy ở tất
cả cấp tốc độ và với mọi loại tải.
3.2. Các bộ điều chỉnh
3.2.1. Giới thiệu các bộ điều khiển PI
3.2.2. Thiết kế PI cho các bộ điều khiển dòng điện
3.2.3. Thiết kế PI cho các bộ điều khiển tốc độ
13
3.2.4. Tính toán các hệ số PI dựa vào độ ổn định và dải
3.2.5. Tính toán các hệ số PI dòng điện và tốc độ dựa trên hệ số
suy giảm
3.2.6. Xem xét khi đưa thêm các cực vào vòng lặp tốc độ
3.2.7. Xem xét bộ điều khiển PI tốc độ: Các giới hạn dòng điện,
giữ và quán tính
3.2.8. Xem xét khi thiết các bộ điều khiển PI cho các hệ thống
FOC
3.2.8.1. Sự khác FOC giữa các động cơ
3.2.8.2. Xen kênh giữa trục q và trục d
14
CHƯƠNG 4
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
XOAY CHIỀU BA PHA SỬ DỤNG GIẢI PHÁP INSTASPIN
4.1. Nhận dạng tham số động cơ sử dụng giải pháp InstaSpin

Khối nhận dạng tham số động cơ của InstaSpin được chỉ ra trên hình
4.1.
Hình 4.1: Khối nhận dạng tham số động cơ
Nhận dạng tham số động cơ là một đặc trưng được đưa vào
InstaSpin-FOC cho phép nhận dạng các tham số cần thiết để sử dụng
trong các mạch vòng điều khiển kín không dùng cảm biến. Đặc tính
nhận dạng động cơ của giải pháp InstaSpin cho phép người sử dụng
15
có thể truyền động động cơ với chất lượng cao nhất ngay cả khi
không biết trước các tham số của động cơ.
Nhận dạng tham số động cơ có thể được thực hiện theo
phương pháp nhận dạng đầy đủ và nhận dạng tối thiểu. Khi nhận
dạng tối thiểu người sử dụng phải đưa thêm khối điều khiển tựa theo
từ thông vào thư viện nguồn trong InstaSpin.
Hình 4.2: Nhận dạng tham số đầy đủ của InstaSpin-FOC
16
Hình 4.3: Nhận dạng tối thiểu của InstaSpin-FOC
4.2. Quá trình nhận dạng tham số động cơ
4.2.1 Trạng thái bộ điều khiển
17
Hình 4.4: Sơ đồ trạng thái bộ điều khiển
18
4.2.2. Ước lượng trạng thái
Hình 4.5: Lưu đồ ước lượng trạng thái
19
4.3. Thực nghiệm
4.3.1. Cài đặt DRV8312-69M
Hình 4.6: Card điều khiển
4.3.2. Cài đặt Card điều khiển và lập trình
4.3.3. Sơ đồ thực nghiệm

Hình 4.11: Sơ đồ thực nghiệm
20
4.3.4. Kết quả thực nghiệm
4.3.4.1. Nhận dạng tham số động cơ và tự chỉnh bộ điều khiển dòng
Hình 4.15: Kết quả nhận dạng tham số động cơ và tự chỉnh
bộ điều khiển dòng hoàn thành 100%
4.3.4.2. Điều chỉnh tốc độ và mô men. Khởi tạo giá trị đầu và chỉnh
định InstaSPIN
Các thông số của các bộ điều khiển thu được khi quá trình nhận dạng
và tự chỉnh định kết thúc như sau:
Bộ điều khiển dòng Iq
Kp = 0.336
Ki = 0.0626
Bộ điều khiển dòng Id
Kp = 0.336
Ki = 0.0626
Bộ điều tốc độ
Kp = 8
Ki = 0.08
21
Hình 4.16: Phần điều chỉnh tốc độ và mô men
Hình 4.21: Đáp ứng của hệ thống ở tốc độ đặt 2000 vòng/phút
22
4.4. Kết luận chương 4
Trong chương 4 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Nhận dạng được tham số của động cơ
- Cài đặt được kit DRV8312-69M, card điều khiển và lập trình cho
bộ điều khiển.
- Đưa ra được sơ đồ thực nghiệm của hệ thống.
- Đã thực nghiệm thành công phần nhận dạng các tham số của động

cơ và điều chỉnh tốc độ động cơ từ tốc độ đặt 200 vòng/ phút lên đến
tốc độ 1000 vòng/ phút, 2000 vòng/ phút.
23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Đề tài nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
rotor lồng sóc là một đề tài rất phong phú và có nhiều vấn đề phức
tạp. Trong phạm vi luận văn này, tác giả đã trình bày được một số
vấn đề như sau:
- Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ
rotor lồng sóc ở hai chế độ liên tục và gián đoạn.
- Thiết kế được bộ điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba
pha sử dụng giải pháp InstaSpin.
Tuy nhiên các kết quả nhận được dựa trên các giả thiết:
+ Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt
không gian
+ Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua
+ Dòng từ hóa 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
Nội dung đề tài còn nhiều khía cạnh chưa được xét đến. Do
vậy đề tài này còn nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện trong tương lai.
2. Kiến nghị
Đề tài này có thể phát triển theo hướng xét ảnh hưởng của các yếu tố
mà ta đã đơn giản hóa hoặc nghiên cứu theo các giải pháp khác của
gói giải pháp InstaSpin.