điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng phương pháp thiết kế backstepping

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN BỀN

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
DÙNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BACKSTEPPING

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 5 5 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2015


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

LUÂN
̣ VĂN THAC
̣ SI ̃
NGUYỄN VĂN BỀN

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BÔ ̣ BA PHA
DÙNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BACKSTEPPING

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
Hƣớng dẫn khoa ho ̣c:

PGS. TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 03/2015


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Nguyễn Văn Bền

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 1985

Nơi sinh: Vĩnh Long

Quê quán: Thới Hòa, Trà Ôn, Vĩnh Long

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 73 Nguyễn Huệ, Phường 2, TPVL
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng:

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy

Thời gian đào tạo từ 09/2005 đến 09/ 2009

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Cần Thơ
Ngành học: Kỹ Thuật Điện
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
Người hướng dẫn:
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
04/2010
- 11/2013
11/2013
Đến nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Trường CĐ SPKT Vĩnh Long

Giảng dạy lý thuyết và thực hành

Trường ĐH SPKT Vĩnh Long

Giảng dạy lý thuyết và thực hành
Vĩnh long, ngày…., tháng…., năm…

Xác nhận của cơ quan cử đi học

Ngƣời khai ký tên

i


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công 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 công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Văn Bền

ii


LỜI CÁM ƠN
Tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học của mình sau thời gian dài học
tập và nghiên cứu ở trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh. Để có

được kết quả ngày hôm nay, tôi đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận
tình từ quý Thầy/ Cô, đơn vị chủ quản của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Tp. Hồ Chí Minh.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy/ Cô ở Khoa Điện – Điện Tử trường Đại
Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức cho tôi
trong suốt khóa học tại trường.
Tôi xin trân trọng biết ơn PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa đã tận tình hướng dẫn
để tôi được hoàn thành luận văn này.
Tôi xin cảm ơn ban lãnh đạo trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long và
các đồng nghiệp đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học.
Xin chân thành cảm ơn gia đình thân yêu của tôi đã luôn động viên, giúp đỡ
và là chổ dựa vững chắc giúp tôi an tâm học tập, vượt qua những khó khăn trong
thời gian qua.
Xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 03 Năm 2015
Học viên

Nguyễn Văn Bền
iii


TÓM TẮT
Hiện nay, đa số các dây chuyền sản xuất trong các nhà máy điều sử dụng động
cơ không đồng bộ với yêu cầu về độ chính xác cao. Tuy nhiên với cấu trúc phi
tuyến đa thông số việc điều khiển đông cơ không đồng bộ để đáp ứng yêu cầu là
một vấn đề khó khăn.
Cơ sở điều khiển máy điện không đồng bộ hiện đại là phương pháp điều khiển
véc tơ đã phát triển rất phổ biến trong những năm qua. Trong đó phương pháp điều
khiển trực tiếp momen (DTC) đã đạt được yêu cầu về tốc độ và momen.

Tuy nhiêu trong báo cáo này tác giả trình bày một phương pháp thiết kế
Backstepping để điều khiển động cơ không đồng bộ. Phương pháp này dựa trên
cách thiết kế từng bước bộ điều khiển phản hồi thỏa mãn ổn định Lyapunov.
Backstepping cho phép xây dựng luật điều khiển phản hồi chế ngự được tính phi
tuyến của đối tượng. Phương pháp Backstepping được áp dụng vào thiết kế bộ
điều khiển cho động cơ không đồng bộ cho ta được những kết quả tin cậy và hiệu
quả.
Các kết quả được khảo sát và phân tích cụ thể bằng phần mềm mô phỏng
Matlab simulink. Phương pháp thiết kế Backstepping là công cụ thiết kế đầy hiệu
quả cho một số hệ thống phi tuyến.
Từ khóa: Induction motor, Backstepping desgn, Vector control, MRAS speed
identification.

iv


ABSTRACT
Currently, the majority of the production lines in factories that use motors are
not compatible with requirements for high accuracy. However, with the structure
of multi-parameter, the controlling of asynchronous motors to meet the
requirements is a difficult problem.
The modern base of controlling asynchronous electric machines is the vector
control method which has developed very commonly in recent years. In this base,
the method of direct torque control (DTC) has met the demand of speed and
moment.
In this report, the author presents a method of backstepping design to control
asynchronous motors. This method is based on the step design of feedback
controller which satisfies Lyapunov stability. Backstepping allows the
construction of feedback control law which dominates the nonlinearity of the
object. Backstepping method is applied into designing controllers for

asynchronous motors that give reliable results and efficiency .
The results are surveyed and specifically analyzed by the simulation software
Matlab simulink . Backstepping design method is a efficient design tool for some
nonlinear systems.
Keywords : Induction motor , Backstepping design , Vector control ,
Identification speed MRAS .

v


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học

i

Lời cam đoan

ii

Lời cám ơn

iii

Tóm tắt

iv

Mục lục

vi

Danh sách các chữ viết tắt

ix

Danh sách các bảng

xi

Danh sách các hình

xii

Chƣơng 1. TỔNG QUAN

1

1.1

Giới thiệu vấn đề

1

1.2

Các kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố

1

1.3

Mục tiêu nghiên cứu

2

1.4

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

3

1.5

Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài

3

1.6

Kết cấu luận văn

3

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

4

2.1

Truyền động điện dùng động cơ không đồng bộ ba pha

4

2.2

Động cơ không đồng bộ ba pha

5

2.2.1

Tổng quan về động cơ không đồng bộ

5

2.2.2

Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng
sóc

6

2.2.2.1 Hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ trong không gian vector.

vi

7


2.2.2.2 Mô hin
̀ h tra ̣ng thái của đô ̣ng cơ trên hê ̣ to ̣a đô ̣ stator.

10

2.2.2.3 Mô hin
̀ h tra ̣ng thái của đô ̣ng cơ trên hê ̣ to ̣a đô ̣ tƣ̀ thông rotor. 12
Chƣơng 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

15

3.1

Phƣơng pháp V/f = const (điều khiển vô hƣớng)

15

3.2

Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ trƣờng (FOC)

16

3.3

Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC)

16

3.4

Phƣơng pháp điều khiển Backstepping

19

3.4.1

Ổn định Lyapunov.

19

3.4.2

Phƣơng pháp điều khiển Backstepping.

20

3.4.3

Thiết kế bộ điều khiển cho động cơ không đồng bộ ba pha theo
phƣơng pháp Backstepping.

Chƣơng 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

23
31

4.1

Điều khiển trực tiếp momen (DTC).

31

4.1.1

Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển trực tiếp momen.

31

4.1.2

Bộ ƣớc lƣợng từ thông Stator và momen.

32

4.1.3

Bộ so sánh

33

4.1.4

Bộ xác định góc SECTOR.

34

4.1.5

Bộ đóng cắt điện áp trong bộ nghịch lƣu.

34

4.1.6

Bộ nghịch lƣu

35

4.1.7

Bộ điều khiển P

35
vii


4.1.8

Khối động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ tọa độ 

36

4.1.9

Bộ chuyển hệ tọa độ

37

4.1.10

Kết quả mô phỏng của phƣơng phƣơng pháp DTC

38

4.2

Giải thuật điều khiển theo phƣơng pháp Backstepping

46

4.2.1.

Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor

46

4.2.2

Ƣớc lƣợng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

48

4.2.3

Ƣớc lƣợng từ thông, dòng điện rotor động cơ không đồng bộ

ba pha

52

4.2.4

Mô hình bộ điều khiển Backstepping

54

4.2.5

Mô hình bộ điều khiển theo phƣơng pháp Backstepping

59

4.2.6

Kết quả mô phỏng của phƣơng phƣơng pháp Backstepping

60

4.3

Phân tích kết quả mô phỏng

68

Chƣơng 5. KẾT LUẬN

69

TÀI LIỆU THAM KHẢO

71

Phụ lục 1

74

Phụ lục 2

77

viii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ĐCKĐB

Động cơ không đồng bộ

MRAS

Model reference adaptive system

P

số đôi cực của động cơ

Ls

Điện cảm stator

Lr

Điện cảm rotor

Lm

Hổ cảm giữa stator, rotor

Lσs, Lσr

Điện cảm tiêu tán phía stator, rotor

σ

Hệ số tiêu tán tổng

f s , fr

Tần số các đại lượng thuộc mạch điện stator, rotor

u, v, w

Ba cuộn dây pha của động cơ

ωs, ωr

Tốc độ góc của các vector thuộc mạch điện stator, rotor

ω

Tốc độ góc cơ học của rotor

J

Momen quán tính cơ

φ

Góc pha giữa trục chuẩn α với trục vector từ thông rotor

Rs, Rr

Điện trở stator, rotor

isu, isv, isw

Ba dòng điện pha của stator động cơ

is

Vector dòng stator

isα, isβ

Thành phần của vector dòng điện stator trên hệ trục tọa độ
αβ

isd, isq

Thành phần của vector dòng điện stator trên hệ trục tọa độ
dq

ir

Vector dòng rotor

irα, irβ

Thành phần của vector dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ
αβ

ird, irq

Thành phần của vector dòng rotor trên hệ trục tọa độ dq

usu, usv, usw
ix


us

Vector điện áp stator

usα, usβ

Thành phần của vector điện áp stator trên hệ trục tọa độ αβ

usd, usq

Thành phần của vector điện áp stator trên hệ trục tọa độ dq

ur

Vector điện áp rotor

urα, urβ

Thành phần của vector điện áp rotor trên hệ trục tọa độ αβ

urd, urq

Thành phần của vector điện áp rotor trên hệ trục tọa độ dq

Ψs

Vector từ thông stator

Ψsα, Ψsβ

Thành phần của vector từ thông stator trên hệ trục tọa độ
αβ

Ψsd, Ψsq

Thành phần của vector từ thông stator trên hệ trục tọa độ
dq

Ψr

Vector từ thông rotor

Ψrα, Ψrβ

Thành phần của vector từ thông rotor trên hệ trục tọa độ αβ

Ψrd, Ψrq

Thành phần của vector từ thông rotor trên hệ trục tọa độ dq

Ψ’rα, Ψ’rβ

Dòng từ hóa trên hệ trục tọa độ αβ

Ψ’rd, Ψ’rq

Dòng từ hóa trên hệ trục tọa độ dq

x


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 3.1: Bảng chọn cho điều khiển trực tiếp mô men, với “k” là số sector

18

Bảng 3.2: Bảng chọn véctơ điện áp cho phương pháp điều khiển trực tiếp mô men 19
Bảng 4.1: Thông số và giá trị đặt của phương pháp DTC

38

Bảng 4.2: Thông số và giá trị đặt của phương pháp Backstepping

62

xi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Cấu tạo bên trong động cơ KĐB

5

Hình 3.1: Biểu diễn quỹ đạo động của từ thông stator

18

Hình 3.2: Minh họa hệ phương trình 3.8

21

Hình 3.3: Thực hiện bước 1

22

Hình 3.4: Kết quả luật điều khiển

23

Hình 4.1: Mô hình simulink bộ điều khiển động cơ theo phương pháp DTC

31

Hình 4.2: Sơ đồ khối ước lượng từ thông stator và momen

32

Hình 4.3: Sơ đồ khối so sánh momen và từ thông

33

Hình 4.4: Sơ đồ khối bộ xác định góc sector

34

Hình 4.5: Sơ đồ khối bộ đóng cắt điện áp

34

Hình 4.6: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu

35

Hình 4.7: Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ tọa độ
Hình 4.8: Sơ đồ khối chuyển hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ
Hình 4.9: Sơ đồ khối chuyển hệ tọa độ





sang hệ tọa độ abc



36
37
37

Hình 4.10: Đồ thị tốc độ (DTC, W = 150 , TL = 3.5)

39

Hình 4.11: Đồ thị momen (DTC, W = 150, TL = 3.5)

39

Hình 4.12: Đồ thị từ thông (DTC, W = 150, TL = 3.5)

40

Hình 4.13: Đồ thị tốc độ (DTC, W = 150, TL = 10)

40

Hình 4.14: Đồ thị momen (DTC, W = 150 , TL = 10)

41

Hình 4.15: Đồ thị từ thông (DTC, W = 150, TL = 10)

41

Hình 4.16: Đồ thị tốc độ (DTC, W = 400, TL = 3.5)

42

Hình 4.17: Đồ thị momen (DTC, W = 400 , TL = 3.5)

42

Hình 4.18: Đồ thị từ thông (DTC, W = 400, TL = 3.5)

43

xii


Hình 4.19: Đồ thị tốc độ (DTC, W = 400, TL = 10)

43

Hình 4.20: Đồ thị momen (DTC, W = 400, TL = 10)

44

Hình 4.21: Đồ thị từ thông (DTC, W = 400, TL = 10)

44

Hình 4.22: Đồ thị tốc độ (DTC, W = 400, đảo chiều quay)

45

Hình 4.23: Đồ thị momen (DTC, W = 400, đảo chiều quay)

45

Hình 4.24: Đồ thị từ thông (DTC, W = 400, đảo chiều quay)

46

Hình 4.25: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên tọa độ dq

47

Hình 4.26: Mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha trên tọa độ dq

48

Hình 4.27: Cấu trúc bộ điều khiển hồi tiếp tốc độ

48

Hình 4.28: Mô hình MRAS tổng quát ước lượng tốc độ động cơ

49

Hình 4.29: Mô hình khâu ước lượng tốc độ

51

Hình 4.30: Mô hình simulink mô phỏng khâu ước lượng tốc độ

52

Hình 4.31: Mô hình ước lượng từ thông rotor

53

Hình 4.32: Mô hình ước lượng từ thông

54

Hình 4.33: Mô hình bộ điều khiển Backstepping

55

Hình 4.34: Mô hình sai lệch tốc độ

56

Hình 4.35: Mô hình sai lệch từ thông

56

Hình 4.36: Mô hình thông số e2

57

Hình 4.37: Mô hình thông số e4

57

Hình 4.38: Mô hình thông số ϕ2

58

Hình 4.39: Mô hình thông số ϕ4

58

Hình 4.40: Mô hình tổng quát bộ điều khiển ĐCKĐB theo phương pháp
Backstepping

59

Hình 4.41: Mô hình simulink bộ điều khiển ĐCKĐB theo phương pháp
Backstepping

60

Hình 4.42: Đồ thị tốc độ (Backstepping, W = 150, TL = 3.5)

62

Hình 4.43: Đồ thị momen (Backstepping, W = 150, TL = 3.5)

62

xiii


Hình 4.44: Đồ thị từ thông (Backstepping, W = 150, TL = 3.5)

62

Hình 4.45: Đồ thị tốc độ (Backstepping, W = 150, TL = 10)

63

Hình 4.46: Đồ thị momen (Backstepping, W = 150, TL = 10)

63

Hình 4.47: Đồ thị từ thông (Backstepping, W = 150, TL = 10)

63

Hình 4.48: Đồ thị tốc độ (Backstepping, W = 400, TL = 3.5)

64

Hình 4.49: Đồ thị momen (Backstepping, W = 400, TL = 3.5)

64

Hình 4.50: Đồ thị từ thông (Backstepping, W = 400, TL = 3.5)

65

Hình 4.51: Đồ thị tốc độ (Backstepping, W = 400, TL = 10)

65

Hình 4.52: Đồ thị momen (Backstepping, W = 400, TL = 10)

66

Hình 4.53: Đồ thị từ thông (Backstepping, W = 400, TL = 10)

66

Hình 4.54: Đồ thị tốc độ (Backstepping, W = 400, đảo chiều quay)

67

Hình 4.55: Đồ thị từ thông (Backstepping, W = 400, đảo chiều quay)

67

xiv


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Chƣơng I:

TỔNG QUAN
1.1

Giới thiệu vấn đề
Hiện nay, trong các hệ truyền động điện của dây chuyền công nghệ hiện đại,

động cơ không đồng bộ được ứng dụng rất rộng rãi bởi nó có nhiều ưu điểm so với
động cơ một chiều. Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến đa thông số, nên việc điều
khiển động cơ không đồng bộ gặp nhiều khó khăn.
Những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công
nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật điều
khiển đã tạo ra sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hóa
công nghiệp, nhiều phương pháp điều khiển hiện đại hiệu quả đã được đề xuất cho
việc điều khiển động cơ không đồng bộ như Backstepping, tuyến tính hóa vào ra,
điều khiển trượt….. Đặc biệt phương pháp điều khiển Backstepping là một phương
pháp tin cậy và hiệu quả để điều khiển các hệ động cơ không đồng bộ nhờ đó có thể
thay thế dần động cơ một chiều.
Phương pháp Backstepping xuất hiện vào những năm cuối của thập kỷ 80,
phương pháp Backstepping được đánh giá là công cụ thiết kế đầy triển vọng cho

một số hệ thống phi tuyến. Phương pháp dựa trên cách thiết kế từng bước bộ điều
khiển phản hồi thỏa mãn ổn định Lyapunov. Bằng việc sử dụng phương pháp thiết
kế đệ qui để xây dựng hàm điều chỉnh, Backstepping cho phép xây dựng luật điều
khiển phản hồi chế ngự được tính phi tuyến của đối tượng. Việc áp dụng phương
pháp vào thiết kế bộ điều khiển cho động cơ xoay chiều ba pha, một số đối tượng
phi tuyến cho ta được những kết quả tin cậy và hiệu quả.
1.2

Các kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố
Đã có nhiều nghiên cứu và các báo cáo khoa học về vấn đề nêu ra ở phần

trên được công bố. Ở đây tôi xin giới thiệu một số báo cáo khoa học điển hình, và
những điểm nổi bật trong từng các báo cáo, qua đó làm cơ sở cho việc thực hiện đề
tài này.
HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 1


Luận văn thạc sĩ

-

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

“Robust Backstepping control of induction motors using neural

networks”, C.M. Kwan and F. L. Lewis.
Trong bài báo này trình bày một kỹ thuật điều khiển mạnh mẽ mới cho động
cơ không đồng bộ sử dụng các mạng Neural.

-

“A PI/Backstepping approach for induction motor drives robust

control”, O. Benzineb, H. Salhi, M. Tadjine, M. S. Boucherit, M.E.H Benbouzid.
Bài báo này trình bày một quy trình thiết kế điều khiển cho động cơ không
đồng bộ trong trường hợp nếu có sai sót mô hình hóa và mômen tải không rõ. Luật
điều khiển được dựa trên sự kết hợp của bộ điều khiển PI phi tuyến và một phương
pháp Backstepping.
-

“Sensorless nonlinear adaptive Backstepping control of induction

motor” F. Mehazzem, A. Reama, H. Benalla.
Bài báo này trình bày sự phát triển mạnh mẽ của một kỹ thuật Backstepping
không dùng cảm biến kết hợp với chương trình định hướng để điều khiển động cơ
không đồng bộ đạt được tốc độ và từ thông theo giá trị đặt. Kết quả mô phỏng được
trình bày để xác nhận tính hiệu quả của phương án đề xuất theo các điều kiện khác
nhau.
-

“Perspective of using the Backstepping method to design the

nonlinear controller for squirel-cage induction motor” Nguyễn Phùng Quang, Lê
Anh Tuấn.
Bài báo này trình bày về triển vọng ứng dụng phương pháp Backstepping để
thiết kế bộ điều khiển động cơ rotor lồng sóc, các bước tiến hành và một số kết quả
ban đầu.
1.3

Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu mà đề tài hướng đến là nghiên cứu áp dụng cơ sở lý thuyết về

phương pháp Backstepping để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha.

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 2


Luận văn thạc sĩ

1.4

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Xây dựng mô hình toán một hệ truyền động điện động cơ xoay chiều không

đồng bộ ba pha.
Xây dựng chính xác các khâu ước lượng tốc độ và từ thông động cơ.
Xây dựng bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha theo phương pháp
Backstepping.
Mô phỏng kết quả phân tích và tính toán lý thuyết bằng phần mềm Matlab
Simulink.
1.5

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện tự động

hóa. Đề tài xây dựng hệ thống truyền động điện động cơ xoay chiều có chất lượng
cao.
1.6

Kết cấu luận văn
Luận văn bao gồm 6 chương:
Chƣơng 1: Tổng quan. (Giới thiệu tổng quan nội dung đề tài và các kết quả

nghiên cứu đã được công bố. Trình bày các vấn đề cần giải quyết trong luận văn).
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết. (Trình bày về các mô hình toán của động cơ
không đồng bộ ba pha, các phép biến đổi tọa độ làm cơ sở toán học cho các chương
sau).
Chƣơng 3: Các phƣơng pháp điều khiển. (Giới thiệu các phương pháp
điều khiển động cơ không đồng bộ. Trình bày thuyết ổn định Lyapunov và xây
dựng giải thuật điều khiển theo phương pháp Backstepping).
Chƣơng 4: Kết quả mô phỏng. (Mô phỏng hệ thống DTC và Backstepping,
phân tích kết quả mô phỏng).
Chƣơng 5: Kết luận. (Đánh giá ưu khuyết điểm của các giải thuật điều
khiển được thực hiện trong luận văn và đề xuất phương hướng nghiên cứu tiếp theo
để phát triển và mở rộng đề tài).
HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 3


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Chƣơng 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

Truyền động điện dùng động cơ không đồng bộ ba pha
Các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh

vực khác nhau, chúng được dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sản
xuất. Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống
truyền động điện.
Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ thống truyền động điện
không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều, còn khoảng 20%
truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ thì dùng động cơ một chiều.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đã được phát minh và
đưa vào ứng dụng khá sớm, nhưng chất lượng của nó lại khó sánh kịp với hệ thống
truyền động điện một chiều. Đến khoảng thập kỷ 70 của thế kỷ XX, khi thế giới bị
cuốn hút vào nguy cơ khan hiếm dầu mỏ, các nước công nghiệp tiên tiến mới tập
trung vào việc nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất
cao, hy vọng coi đó là con đường tiết kiệm năng lượng. Qua hơn 10 năm cố gắng nổ
lực, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy đã được thành tựu lớn, và được coi là
bước đột phá thần kỳ trong truyền động điện xoay chiều và từ đó việc ứng dụng hệ
thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ngày càng tăng lên. Trong các ngành
công nghiệp đã có trào lưu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều.
Động cơ xoay chiều có thể phân thành hai nhóm: động cơ xoay chiều không
đồng bộ và động cơ xoay chiều đồng bộ. Trong đó có động cơ xoay chiều không
đồng bộ rotor dây quấn và rotor lồng sóc, động cơ xoay chiều kích từ bằng nam
châm vĩnh cửu và kích từ bằng nam châm điện. Mỗi loại động cơ đều có những ưu
và nhược điểm nhất định các phương pháp điều chỉnh tốc độ cũng không hoàn toàn
giống nhau.

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 4


Luận văn thạc sĩ

2.2

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Động cơ không đồng bộ ba pha

2.2.1 Tổng quan về động cơ không đồng bộ
- Giới thiệu:
Động cơ điện không đồng bộ ba pha (AC Induction Motor) được sử dụng rất
phổ biến ngày nay với vai trò cung cấp sức kéo trong hầu hết các hệ thống máy
công nghiệp. Công suất của các động cơ không đồng bộ có thể đạt đến 500 kW
(tương đương 670 hp) và được thiết kế tuân theo quy chuẩn cụ thể nên có thể thay
đổi dễ dàng các nhà cung cấp.
- Cấu tạo:

Hình 2.1: Cấu tạo bên trong động cơ KĐB
Phần tĩnh: Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn.
+ Vỏ máy: Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng
để làm mạch dẫn từ. Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công
suất tương đối lớn (1000KW) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy. Tuỳ
theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau.
+ Lõi sắt: Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường

quay nên để giảm tổn hao: lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại.
+ Dây quấn: Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được
cách điện tốt với lõi sắt.

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 5


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Phần quay (rotor): Rotor có 2 loại chính: rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu
lồng sóc.
+ Rotor kiểu dây quấn: Rotor có dây quấn giống như dây quấn của stator.
Dây quấn 3 pha của rotor thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành
trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có
thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện
trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy,
điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình
thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch. Nhược điểm so với động cơ rotor lồng
sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ…
+ Rotor kiểu lồng sóc: Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn
stator. Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài
ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay
nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc.
2.2.2 Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc
Việc đi xây dựng mô hình toán của ĐCKĐB ba pha về cơ bản ta xét trên các
hệ tọa độ sau:

-

Hệ tọa độ cố định trên stator: là hệ tọa độ  .

-

Hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor: là hệ tọa độ dq.

-

Hệ tọa độ tựa theo từ thông stator.

-

Hệ tọa độ cố định trên rotor.
Trong thực tế việc mô tả trên 2 hệ: Hệ tọa độ tựa theo từ thông stator, hệ tọa

độ cố định trên rotor không mang lại lợi thế gì trong việc thiết kế hệ thống điều
khiển. Nên trong nội dung này những phương trình viết dựa trên 2 hệ tọa độ này
mục đích là để đi làm rõ các vấn đề khác.
ĐCKĐB ba pha thường được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân bậc cao.
Cấu trúc phân bố cuộn dây là phức tạp trong không gian nên các điều kiện sau đây
được đưa ra khi mô hình hóa động cơ:
-

Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian.

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 6

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

-

Bỏ qua tổn hao sắt từ và bão hòa từ.

-

Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin.

-

Các giá trị điện trở điện cảm được coi là không đổi.

2.2.2.1 Hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ trong không gian vector.
Để thuận lợi cho việc theo dõi các phương trình ta quy ước các ký hiệu sau:
Chỉ số trên:

s: xét trong hệ tọa độ stator (tọa độ ).
f: trong tọa độ từ thông rotor (tọa độ dq).
r: trong hệ tọa độ rotor với trục thực là trục rotor.

Chỉ số dưới

s: đại lượng của mạch stator.
R: đại lượng của mạch rotor.

d, q: phần tử thuộc hệ tọa độ dq.
, : phần tử thuộc hệ tọa độ .
u, v, w: đại lượng thuộc pha u, v, w.

Đại lượng viết có gạch dưới là vector.
Theo cách quan sát ba pha kinh điển ban đầu ta có phương trình điện áp cho 3
cuộn dây stator như sau:

d su (t )

u
(
t
)

R
i
(
t
)

s su
 su
dt

d sv (t )

u sv (t )  Rs isv (t ) 
dt


d sw (t )

u
(
t
)

R
i
(
t
)

s sw
 sw
dt

Trong đó:

Rs

su , sv , sw

(2.1 a, b, c)

điện trở cuộn dây pha stator.
từ thông stator của 3 cuộn dây pha.

Về phương diện mặt phẳng cắt ngang động cơ không đồng bộ ba pha có ba
cuộn dây lệch nhau góc 1200. Ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua

trục cuộn dây u của động cơ, ta có thể xây dựng được vector không gian cho điện
áp.

u s (t ) 



0
0
2
u su (t )  u sv (t )e j120  u sw (t )e j 240
3

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 7



(2.2)


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Từ (2.1a, b, c) và (2.2) ta có được phương trình điện áp stator :

u s  Rs i s 

d s

(2.3)

dt

Ta thấy rằng phương trình (2.3) cũng chính là phương trình điện áp stator trên
hệ tọa độ  .

d s
s

u R i 
s
s

s
s s

(2.4)

dt

Từ phương trình (2.4) ta có thể suy ra được phương trình điện áp của rotor
trên hệ tọa độ rotor.

d r
r

u 0R i 

r
r

r
r r

(2.5)

dt

Vì đây là rotor lồng sóc nên vector điện áp rotor có độ lớn bằng 0.
Mặt khác ta có phương trình từ thông stator và rotor .


 s  i s Ls  i r Lm


 r  i s Lm  i r Lr
Trong đó:

(2.6)

Lm

hỗ cảm giữa rotor và stator.

Ls

điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator.

Lr

điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor đã quy đổi về

stator.
Ls = Lm + Ls điện cảm stator.
Lr = Lm + Lr điện cảm rotor.
Do cuộn dây stator và rotor có cấu tạo đối xứng về mặt cơ học nên tất cả các
giá trị điện cảm là không thay đổi trong mọi hệ tọa độ.
Để hoàn thiện hệ thống phương trình mô tả ĐCKĐB ba pha ta phải xét thêm
hai phương trình cơ sau đây:
- Phương trình momen.

mM 

3
3
pc ( s * i s )   pc ( r * i r )
2
2

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 8

(2.7)


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

- Phương trình chuyển động.

J d
pc dt

mM  mT 


(2.8)

Xây dựng phƣơng trình điện áp stator và rotor trong hệ tọa độ dq

Bây giờ ta xét thêm một hệ tọa độ vuông góc “k” bất kỳ. Tọa độ “k” này quay
tròn với vận tốc k quanh điểm góc tọa độ.


Xây dựng phƣơng trình điện áp stator

Áp dụng phép chuyển hệ tọa độ cho vector không gian vào hệ tọa độ “k” ta có
các phương trình sau:

u s  u s e jk ; i s  i s e jk ; s   s e jk
s

k

s

k

s

k

(2.9a, b, c)

k là góc giữa trục thực của hệ tọa độ “k” và trục  của tọa độ stator.
k thỏa k = dk/dt
Ta lấy đạo hàm (2.9c) ta được phương trình.

d s
s

dt

d s

k



dt

e jk  jk  s

k

(2.9d)

Từ (2.9a, b, d) và (2.4) ta thu được phương trình tổng quát cho điện áp stator
trong hệ tọa độ “k”.

d s

k

u s  Rs i s 
k

k

 jk  s

k

dt

(2.10)

Từ phương trình điện áp stator trong hệ tọa độ “k” ta chuyển sang hệ tọa độ cố
định trên stator và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor.
+ Hệ tọa độ cố định trên stator: k=0. Phương trình điện áp stator giữ nguyên như
phương triǹ h (2.4).
+ Hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor: k=s. Ta được phương trình sau.

d s

f

u s  Rs i s 
f

f

dt

HVTH: Nguyễn Văn Bền

 j s s

f

(2.11)

Trang 9