điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ ba pha

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN ĐẠI LỢI

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 3 3 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN ĐẠI LỢI

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
BA PHA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN ĐẠI LỢI

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
BA PHA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


Lý lịch khoa học.

LVTN

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Nguyễn Đại Lợi
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 18 – 11 – 1982 Nơi sinh: Hòa Thành, Tây Ninh
Quê quán: Bắc Ninh
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 11/11 Long Yên, Long Thành Nam, Hòa
Thành, Tây Ninh

Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng: 0986655948
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 08/2000 đến 11/2004.

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học DL Bình Dương.
Ngành học: Điện-Điện tử.
2. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 10/2012 đến 10/2014

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM.
Ngành học: Kỹ Thuật Điện.
Tên luận văn: Điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ 3 pha.
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Ngày 19-10-2014, tại ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật
Tp.HCM.
Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Minh Phương.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
2005-2008
2008 - nay

Công việc đảm

nhiệm

Nơi công tác
C.Ty TNHH Công Nghiệp Penro
Việt Nam
Khoa Điện – Điện tử,
Trường Cao Đẳng Nghề Tây Ninh

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trangi

Nhân viên kỹ thuật
Giáo viên

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTN

Lời cam đoan.

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 09tháng 09 năm 2014
Người cam đoan

Nguyễn Đại Lợi

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trangii

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTN

Lời cảm ơn.

LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình làm việc, nghiên cứu, được sự động viên giúp đỡ và hướng dẫn
tận tình của thầy PGS.TS. Lê Minh Phương, luận văn với đề tài” điều khiển thích
nghi động cơ không đồng bộ 3 pha” đã hoàn thành.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sấu xắc đến thầy PGS.TS. Lê Minh Phương đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Chân thành cảm ơn quí thầy cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và
Trường Đại Học Bách khoa TP.HCM đã giảng dạy tôi trong suốt hai năm học.
Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình , đồng nghiệp bạn bè đã động viên
tôi trong suốt quá trình học tập.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 09 năm 2014
Người cảm ơn

Nguyễn Đại Lợi

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trangiii

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTN Tóm tắt.

TÓM TẮT
Động cơ không đồng bộ ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
thay cho các động cơ khác vì nó có nhiều ưu điểm như khởi động đơn giản, vận
hành tin cậy, giá thành rẽ và kích thước gọn nhẹ. Ngoài ra động cơ không đồng bộ
có nhược điểm là đặc tính cơ phi tuyến. Do đó trước đây với các phương pháp
điều khiển còn đơn giản người ta thường sử dụng động cơ một chiều. Nhưng với
sự phát triển của 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 sự chuyển
biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hoá công nghiệp, nhiều phương
pháp điều khiển hiện đại, hiệu quả nên đã đưa động cơ không đồng bộ trở thành
phổ biến .
Đối với những hệ thống yêu cầu chính xác cao về tốc độ người ta buộc dùng
cảm biến tốc độ (encoder) hồi tiếp tốc độ. Vì thế, việc loại bỏ cảm biến tốc độ
(sensorless) góp phần giảm chi phí cũng như đơn giản hoá việc lắp đặt, bảo trì cho
hệ thống động cơ không đồng bộ 3 pha. Đây là xu hướng phát triển chung của các
bộ điều khiển động cơ cao cấp hiện nay.
Một số công trình nghiên cứu trên thế giới đã đề cập ứng dụng điều khiển động
cơ không dùng cảm biến tốc độ, nhưng còn hạn chế thí nghiệm ở trạng thái lý
tưởng động cơ hoạt động với thông số không thay đổi theo thời gian. Trên thực tế
khi làm việc lâu dài nhiệt độ động cơ tăng, điện trở và điện cảm cuộn dây thay đổi
đáng kể ảnh hưởng đến bộ ước lượng tốc độ và tính toán từ thông, gây sai lệch
đáng kể về tính toán giảm tổn hao cũng như điều khiển tốc độ.
Luận văn tập trung nghiên cứu “ điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ
3 pha”, dùng để ứng dụng điều khiển sensorless với thông số điện trở stator được

quan sát theo thời gian. Điều này đảm bảo động cơ hoạt động ổn định khi điện trở
stator thay đổi ảnh hưởng chính đến việc tính toán từ thông.

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trangiv

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTN Abstract.

ABSTRACT
Induction motors are now widely used in industry instead of the other engines
because it has many advantages such as simple boot, reliable operation, low price
and compact size. In addition, induction motor drawback is nonlinear mechanical
properties. Therefore previous control methods are simple people often use DC
motors. But with the strong development of science and technology, microelectronics technology, computer science, semiconductor technology and
technical capacity controls has created a fundamental shift in direction for the
solution itself industrial automation, many modern control methods, the effect
should have put induction motor became popular.
For systems that require high precision in speed they had used speed sensor
(encoder) speed feedback. Therefore, the removal of speed sensor (sensorless)
contributing to reducing costs and simplifying the installation and maintenance
of systems for induction motor 3 phase. This is the general trend of development
of the advanced engine control now.
Several studies have addressed the world motor control applications do not use
the speed sensor, but limited experiments in ideal state engine operating
parameters do not change over time. In fact as long as the engine temperature
increases, the resistance and inductance coil changes significantly affect the

estimated speed and flux calculations, cause considerable error in computation
reduces losses as well as speed control.
Dissertation focused on "Adaptive control of three induction motors ", used to
control applications with sensorless stator resistance parameters were observed
over time. This ensures stable operation motor stator resistance changes as the
major influence on the calculation of the magnetic flux.

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trangv

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTN Mục lục.

MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học ........................................................................................................ i
Lời cam đoan ........................................................................................................... ii
Cảm ơn .................................................................................................................... iii
Tóm tắt .................................................................................................................... iv
Mục lục ................................................................................................................... vi
Danh sách các chữ viết tắt ...................................................................................... ix
Danh sách các hình ................................................................................................. xi

Chương 1. Tổng quan ..........................................................................................01
1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ..............................................................01
1.2.Một số công trình nghiên cứu có liên quan ..................................................04
1.3.Mục đích của đề tài .......................................................................................05
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài.. ................................................................05
1.5. Phương pháp nghiên cứu. ............................................................................06
1.6. Các bước tiến hành ......................................................................................06
Chương 2. Mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha ............................................07
2.1 Tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha................................................07
2.2. Mô tả các đại lượng 3 pha ở dạng vecto không gian. ..................................08
2.2.1 Hệ trục tọa độ tĩnh (α, β)............................................................................09
2.2.2 Hệ trục tọa độ quay (d, q) ..........................................................................11
2.3 Mô hình tính toán của động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập. ................12
2.3.1 Mô hình động của động cơ không đồng bộ ...............................................12
2.3.2 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ cố định stator ..........................16
2.3.3 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ quay rotor ...............................19
2.4 Xây dựng mô hình toán trong Matlab_Simulink. .........................................22

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trangvi

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTN Mục lục.

2.4.1 Mô hình chuyển trục tọa độ. ......................................................................22
2.4.2 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ (αβ). ......................................................24
2.4.3 Mô hình động cơ trên hệ tọa độ (dq). ........................................................26

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ........28
3.1 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực. ........................................29
3.2 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stator. ...................................29
3.3 Điều khiển tốc độ bằng cách sử dụng thay đổi tần số nguồn áp (v/f). .........31
3.4 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC (Direct Torque Control) ...35
3.4.1 Giới thiệu. ..................................................................................................35
3.4.2 Nguyên tắc điều khiển của phương pháp DTC..........................................37
3.5 Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) .....................................48
3.5.1 Tổng quan. .................................................................................................48
3.5.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp (IRFOC) ...53
3.5.3 Phương phápđiều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp (DRFOC) ...58
Chương 4: Phương pháp điều khiển khi thông số động cơ thay đổi (Ts) ........59
4.1 Tổng quan ....................................................................................................59
4.2 Ước lượng tốc độ dùng mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) .................. 60

4.2.1 Mô hình ước lượng tốc độ dùng mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) cơ
bản. ......................................................................................................................60
4.2.2 Mô hình MRAS ước lượng tốc độ khi thay đổi thông số động cơ (Ts) ....61
4.2.2.1Phương trình tham chiếu ..........................................................................63
4.2.2.2Bộ quan sát từ thông vòng kín Luenberger .............................................64
4.2.2.3 Phương trình hiệu chỉnh..........................................................................65
4.2.2.4Luật hiệu chỉnh trên cơ sở lý thuyết ổn định Popov. ...............................65
4.3 Cơ sở lý thuyết điều khiển sensorless ..........................................................68
4.3.1Mộtsố mô hình sensorless ...........................................................................71
4.3.1.1 Tính toán độ trượt ...................................................................................71
4.3.1.2 Ước lượng tốc độ vòng hở và sử dụng mô hình động cơ .....................72
4.3.1.3 Ước lượng tốc độ dùng mô hình Kalman Filter ....................................73

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trangvii

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTN Mục lục.

4.4 Kết luận .........................................................................................................74
Chương 5: Mô phỏng Matlab simulink ...............................................................76
5.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển DFOC trong Matlab Simulink. .....................76
5.1.1 Mô hình tổng thể DFOC ............................................................................77
5.1.2 Mô hình điều khiển định hướng trực tiếp DFOC ................................................ 78

5.1.3 Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng và áp hồi tiếp .........................79
5.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển DFOC_sensorless MRAS trong Matlab
Simulink ..............................................................................................................80
5.2.1Mô hình tổng thể DFOC_MRAS thích nghi. .............................................81
5.2.2Mô hình MRAS ước lượng song song tốc độ rotor, điện trở stator ............82
5.2.3Mô hình tham chiếu và bộ quan sát từ thông vòng kín Luenberger ...........83
5.2.4Mô hình thích nghi tốc độ rotor ..................................................................84
5.2.5 Mô hình hiệu chỉnh điện trở stator.............................................................85
5.2.6 Mô hình hiệu chỉnh điện trở stator.............................................................86
Chương6: Kết quả mô phỏng ...............................................................................87
6.1 Thông số động cơ..........................................................................................87
6.2 Mô phỏng động cơ đối với phương pháp DFOC truyền thống và
DFOC_MRAS thích nghi. ................................................................................88
6.3 Kết luận .......................................................................................................105
Chương 7: Hướng phát triển của đề tài ............................................................106

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trangviii

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTN

Danh sách các chữ viết tắt.

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Rs : điện trở stator (  ).
Rr : điện trở rotor (  ).

Ts: hằng số thời gian stator.
Tr: hằng số thời gian rotor.
Lm : hỗ cảm giữa rotor và stator (H).
L s : điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator(H).
L r : điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor đã quy đổi về stator (H).

Ls : điện cảm stator.
Lr : điện cảm rotor.
: hệ số tiêu tán tổng.
P - Power: công suấ t của động cơ(W).
p - Pole couple: số đôi cực của động cơ.
2

J : momen quán tính(Kg/m ).

TL - Torque Load: moment tải (Nm).

 ,  : từ thông (Wb).
 : tố c đô ̣ góc của rotor so với stator (rad/s).
a : tố c đô ̣ góc của 1 hệ bất kỳ (rad/s).
s : tố c đô ̣ góc của từ thông stator so với stator (s    sl ) (rad/s).
r : tố c đô ̣ góc của từ thông rotor so với stator (r  s ) (rad/s).

sl : tố c đô ̣ góc của từ thông rotor so với rotor (tốt độ trượt) (rad/s).
 : góc của trục rotor (cuộn dây pha A) trong hệ tọa độ  (rad).

 s : góc của trục d (hệ tọa độ quay bất kỳ) trong hệ tọa độ  (rad).
 r : góc của trục d (hệ tọa độ quay bất kỳ) so với trục rotor (rad).

s : góc của từ thông stator trong hệ tọa độ  (rad).

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trangviii

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


Danh sách các chữ viết tắt.

LVTN

r : góc của từ thông rotor trong hệ tọa độ  (rad).
 : góc pha giữa điện áp so với dòng điện (rad).
Te - Torque electromagnetic: moment điê ̣n từ .

 , dq : hệ tọa độ đứng yên, hệ tọa độ quay.
I ,V , f : dòng điện (A), điện áp (V), tần số (Hz).
I ,  : dòng điện trên hệ tọa độ  .
I ss : dòng điện của stator được quan sát trên hệ tọa độ  (hệ stator).

I sr : dòng điện của stator được quan sát trên hệ tọa độ dq (hệ từ thông rotor).
I r _  ,  : dòng điện rotor trên hệ tọa độ  .
I d ,q : dòng điện trên hệ tọa độ dq .
I s _ d ,q : dòng điện rotor trên hệ tọa độ dq .
I r _ d ,q : dòng điện rotor trên hệ tọa độ dq .
V ,  : điện áp trên hệ tọa độ  .
Vd ,q : điện áp trên hệ tọa độ dq .

I  : ký hiệu là 1 vector.
u, v, w : các pha của nguồn điện 3 pha.

KĐB: không đồ ng bô ̣.
MRAS- Model Reference Adaptive System
FOC - Field Oriented Control: điề u khiể n tựa trường.
RFOC – Roto Field Oriented Control: điều khiển tựa từ thông roto.
DRFOC – Direct Roto Field Oriented Control: điều khiển tựa từ thông roto
kiểu trực tiếp.
IRFOC – Indirect Roto Field Oriented Control: điều khiển tựa từ thông roto
kiểu gián tiếp.
DTC-Direct Torque Control: điề u khiể n trực tiế p moment.

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trangix

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTN

Danh sách các hình.

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1 : Động cơ không đồng bộ 3 pha ............................................................7
Hình 2.2 Sơ đồ cuộn dây stator của động cơ KĐB 3 pha ....................................8
Hình 2.3 Vectơ dòng stator i s và hình chiếu .........................................................9
Hình 2.4 Biễu diễn vectơ dòng điện  của stator ...............................................9
Hình 2.5 Biễu diễn vectơ điện áp trên tọa độ  và abc ....................................10
Hình 2.6 Biểu diễn vectơ i s trong cả hai hệ trục tọa độ (α, β) và (d, q)..............11
Hình 2.7 Mạch tương đương động cơ không đồng bộ........................................13
Hình 2.8 Hệ trục α-β và d-q ...............................................................................18
Hình 2.9 Khối chuyển trục toạ độ (a; b; c) → (α; β) ..........................................22
Hình 2.10 Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (a; b; c) .......................................22
Hinh 2.11 Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (d; q) ............................................23
Hình 2.12 Khối chuyển trục toạ độ (d; q) → (α; β) ...........................................23
Hình 2.13 Sơ đồ tổng quan các khối trong hệ tọa độ (αβ) ..................................24
Hình 2.14 Sơ đồ động cơ trên hệ tọa độ (αβ) .....................................................25
Hình 2.15 Sơ đồ động cơ trên hệ tọa độ (dq)......................................................27
Hình 3.1 Phân loại các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB 3 pha ............28
Hình 3.2 Đặc tính động cơ KĐB khi điều chỉnh điện áp ....................................30
Hình 3.3 Mạch điều khiển điện áp pha ...............................................................31

Hình 3.4 Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số ......................................34
Hình 3.5 Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng hở ................................................34
Hình 3.6 Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng kín ................................................35
Hình 3.7 Bộ nghịch lưu áp 3 pha ........................................................................37
Hình 3.8 Các vector không gian điện áp............................................................39
Hình 3.9 Mạch tương đương của động cơ KĐB .................................................40
Hình 3.10 Đồ thị tác động của điện áp lên từ thông ...........................................41

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương Trangx

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTN

Danh sách các hình.

Hình 3.11 Biểu đồ tác động của vector điện áp lên từ thông..............................42
Hình 3.12 Đồ thị chia các sector của không gian vector ....................................43
Hình 3.13 Khâu so sánh trễ 2 bậc ......................................................................44
Hình 3.14 Khâu so sánh trễ 3 bậc ......................................................................45
Hình 3.15 Quỹ đạo vector từ thông stator: (a) khoảng trễ HB rộng, (b) khoảng
trễ HB hẹp .........................................................................................................46
Hình 3.16 Mô hình bộ điều khiển DTC đơn giản ..............................................47
Hình 3.17: Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng trường ..........49
Hình 3.18: Quan hệ giữa các hệ trục ..................................................................50
Hình 3.19: Hệ tọa độ từ thông rotor....................................................................52
Hình 3.20 Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp .......................53
Hình 3.21Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp ........................55
Hình 4.1 Sơ đồ khối cấu trúc cơ bản của MRAS................................................60

Hình 4.2 Mô hình nội ước lượng song song tốc độ rotor và điện trở stator .......61
Hình 4.3 Bộ quan sát Luenberger .......................................................................64
Hình 4.4 Sơ đồ khối MRAS trên cơ sở ước tính tốc độ rotor hiệu chỉnh ...........67
Hình 4.5 Sơ đồ khối ước lượng tốc độ dùng EKF ..............................................74
Hình 5.1 Mô hình mô phỏng tổng thể DFOC .....................................................77
Hình 5.2Mô hình điều khiển DFOC ...................................................................78
Hình 5.3 Khối chuyển tọa độ dq sang αβ ...........................................................78
Hình 5.4 Khối chuyển tọa độ αβ sang dq ...........................................................79
Hình 5.5 Mô hình ước lượng từ thông rotor .......................................................79
Hình 5.6 Mô hình điều khiển DFOC_MRAS đề xuất ......................................81
Hình 5.7 Mô hình MRAS quan sát tốc độ rotor và điện trở stator. ....................82
Hình 5.8 Mô hình tham chiếu với bộ quan sát từ thông vòng kín Luenberger .83
Hình 5.9 Mô hình thích nghi tốc độ rotor ..........................................................84
Hình 5.10 Mô hình ước tính điện trở stator ........................................................85
Hình 5.11 Mô hình ước tính tốc độ rotor ............................................................86

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương Trangxi

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTNChương 1:Tổng quan.

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu.
Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong
các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong
các thiết bị điện dân dụng. Động cơ điện cũng là một phần không kém phần quan
trọng trong khâu truyền động với nhiệm vụ chuyển hóa điện năng thành cơ năng với
những đặc tính cần thiết. Việc điều khiển chính xác để tạo nên các chuyển động

phức tạp là nhiệm vụ của hệ thống truyền động. Do đó truyền động điện là một môn
khoa học được ứng dụng các kiến thức mới nhất của lý thuyết điều khiển tự động,
các tiến bộ của công nghệ vi xử lý… nhằm gán cho động cơ các đặc tính cao cấp
hơn để đáp ứng được các đòi hỏi ngày càng tăng của quá trình tự động hóa đặt ra
cho thiết bị truyền động.
Điều khiển tốc độ động cơ AC được ứng dụng từ những năm 1990 và ngày
càng chiếm vị trí nhiều hơn điều khiển tốc độ động cơ DC. Động cơ không đồng bộ
được ứng dụng trong các hệ truyền động trong băng chuyền, băng tải, máy nạp liệu,
máy nghiền, máy khử từ, các ứng dụng dân dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ
lạnh, máy quay đĩa,..
Cùng 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 sự
chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hoá công nghiệp, nhiều
phương pháp điều khiển hiện đại, hiệu quả đã được đề xuất cho việc điều khiển
động cơ không đồng bộ. Đặc biệt, phương pháp điều khiển vectơ 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.
Phƣơng pháp V/f: là phương pháp điều khiển đơn giản và phổ biến trong
các ứng dụng công nghiệp. Cấu trúc của mạch thì đơn giản và thường sử dụng
dạng không hồi tiếp tốc độ. Điểm đặc biệt của phương pháp đó là mối quan hệ
giữa điện áp và tần số là một hằng số. Tuy nhiên phương pháp này có độ chính xác
không cao trong đáp ứng tốc độ và moment.

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trang1

HVTH: Nguyễn Đại Lợi

LVTNChương 1:Tổng quan.

Phƣơng pháp DTC: là phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông stator và
moment, đây cũng là phương pháp có hiệu suất cao. Nội dung của phương pháp
này là dựa trên sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các khâu tính toán
hồi tiếp về của moment và từ thông. Mặt khác ta có thể điều khiển trực tiếp trạng
thái của bộ nghịch lưu PWM thông qua các tín hiệu điều khiền đóng cắt các khóa
công suất nhằm mục đích giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép
đã được xác định trước.
Phƣơng pháp FOC: là phương pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào
biên độ và góc pha của các vector. FOC là kỹ thuật được sử dụng phổ biến với
hiệu suất cao trong việc điều khiển động cơ với đặc tính từ thông và moment có
thể được điều khiển độc lập. Điều khiển này cơ bản dựa vào sự tham chiếu về thời
gian và tốc độ trên hệ trục dq, đây là hệ trục bất biến. Sự tham chiếu này nhằm
mục đích hướng việc khảo sát động cơ không đồng bộ thành việc khảo sát động cơ
một chiều.
Đối với những hệ thống yêu cầu chính xác cao về tốc độ người ta buộc dùng
cảm biến tốc độ (encoder) hồi tiếp tốc độ. Vì thế, việc loại bỏ cảm biến tốc độ
(sensorless) góp phần giảm chi phí cũng như đơn giản hoá việc lắp đặt, bảo trì cho
hệ thống động cơ không đồng bộ 3 pha. Đây là xu hướng phát triển chung của các
bộ điều khiển động cơ cao cấp hiện nay.
Một số công trình nghiên cứu trên thế giới đã đề cập ứng dụng điều khiển động
cơ không dùng cảm biến tốc độ, nhưng còn hạn chế thí nghiệm ở trạng thái lý
tưởng động cơ hoạt động với thông số không thay đổi theo thời gian. Trên thực tế
khi làm việc lâu dài nhiệt độ động cơ tăng, điện trở và điện cảm cuộn dây thay đổi
đáng kể ảnh hưởng đến bộ ước lượng tốc độ và tính toán từ thông, gây sai lệch
đáng kể về tính toán giảm tổn hao cũng như điều khiển tốc độ.
Một trong những phương pháp điều khiển hay được sử dụng là phương pháp
điều khiển định hướng trường FOC (Field Oriented Control) được phát triển bởi
blaschke. Phương pháp FOC được đánh giá có khả năng đáp ứng tốt hơn phương

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trang2

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTNChương 1:Tổng quan.

pháp so với phương pháp hay được sử dụng thứ 2 là phương pháp điều khiển trực
tiếp momen DTC(Direct Torque Control) được phát triển bởi Takahashi.
Phương pháp FOC thường được dùng trong điều khiển sensorless. Tuy nhiên,
việc điều khiển sensorless phụ thuộc nhiều vào thông số động cơ đặc biệt ở vùng
tốc độ thấp. Một số bộ quan sát tốc độ vòng hở hay được sử dụng như:
 Current model.
 Voltage model.
 Full-order observer.
Các bộ quan sát vòng hở dựa trên mô hình động cơ. Điều này dẫn đến mất
chính xác khi thông số động cơ thay đổi cũng như sai số tín hiệu hồi tiếp.
Để cải thiện chính xác người ta dùng một số bộ quan sát vòng kín ước tính tốc
độ như:
Model Reference Adaptive Systems (MRAS).
Kalman filter techniques.
Adaptive observers based on both voltage and current model.
Neural network flux and speed estimators.
Sliding mode flux and speed estimators.
Vấn đề khó khăn khi thiết kế các bộ quan sát ước tính tốc độ rotor bao gồm 3
yếu tố chính đó là sự nhạy cảm các thông số động cơ, khâu hiệu chỉnh PID đáp
ứng tuyến tính trong vùng có giới hạn và sự trùng lặp các vòng điều khiển.

Các bộ quan sát vòng kín có ưu điểm là không phụ thuộc nhiều vào thông số
động cơ. Người ta dùng các bộ hiệu chỉnh thông minh Neural network, Kalman
filter, Sliding mode... xây dựng giải thuật điều chỉnh tối ưa dựa trên mô hình động
cơ và mô hình toán, các phương pháp này có ưu điểm là có thể ước lượng chính
xác sai số hệ thống từ đó ước tính chính xác tốc độ rotor, nhưng nhược điểm tính
toán khá phức tạp, sử dụng chỉ hiệu quả trên các bộ tính toán tốc độ cao.
Trong khuôn khổ luận văn trình bày bộ ước tính tốc độ rotor trên mô hình tham
chiếu thích nghi (MRAS) trên cơ sở quan sát từ thông hệ thống. Ưu điểm, bộ quan

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trang3

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTNChương 1:Tổng quan.

sát MRAS là đơn giản tuy nhiên sai số lớn khi từ thông quan sát đâu vào sai số. Để
cải thiện chính xác bộ quan sát từ thông, trong đề tài dùng song song thêm mô
hình tham chiếu thích nghi ước tính điện trở stator.
Để đưa lý thuyết vào thực tế hiệu quả, nhằm giảm được giá thành cũng như
đảm bảo an toàn trong thực nghiệm, chúng ta sử dụng các công cụ mô phỏng
mạnh để mô phỏng, đặc biệt là Matlab Simulink. Quá trình phân tích và mô phỏng
không những làm sáng tỏ, tường minh và trực quan các vấn đề của các thuật toán
mà lý thuyết đưa ra, là công cụ tốt để nghiên cứu và học tập mà còn cho phép
chúng ta nghiên cứu bản chất vật lý, các quá trình điện từ xảy ra trong các kênh
năng lượng và kênh điều khiển của truyền động điện xoay chiều 3 pha; giúp giảm
chi phí trong quá trình thực nghiệm và là một công đoạn không thể thiếu được
trong quy trình áp dụng các công nghệ mới từ lý thuyết vào thực tế.

1.2 Một số công trình nghiên cứu có liên quan
Bài báo : “Adaptive Control of Induction Motors with Unknown Load and
Rotor”-

FARZAD

POURBOGHRAT,ISSA

PANAHI-

Electrical

EngineeringSouthern Illinois UniversityCarbondale, IL 62901-6603.
Thiết kế một bộ điều khiển thích nghi dựa trên quan sát tốc độ rotor động cơ
không đồng bộ 3 pha. Bộ điều khiển đồng thời và độc lập giữa tốc độ và từ thông
của động cơ và ở đây bỏ qua điện trở và tải động cơ. Ước lượng thích nghi từ
thông dựa vào tín hiệu đo. Các điều khiển thiết kế dựa vào hai thành phần dòng
điện trục d và q theo hướng trường của mô hình động cơ.
Bài báo : “Rotor Flux and Speed Observers for InductionMotors”-Chunki
Kwon, Scott D. Sudhoffand Stanislaw H.Zak-School of Electrical and Computer
EngineeringPurdue UniversityWest Lafayette, IN 47907, USA.
Mục tiêu của bài báo này là nghiên cứu dùng bộ quan sát trong điều khiển
sensorless của động cơ không đồng bộ. Đầu tiên là đề xuất bộ quan sát từ thông
và tốc độ rotor để phân tích và so sánh thông qua mô phỏng. Kết quả có thể thực
hiện tốt việc ước lượng tốc độ rotor để thay thế giá trị thu được từ cảm biến.

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trang4

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTNChương 1:Tổng quan.

Bài báo: “Speed sensorless vector control of induction motor with model
reference adaptive system (MRAS)” Ths. Phạm Tâm Thành- Tạp chí Khoa học
Công nghệ Hàng hải Số 15+16 - 11/2008
Điều khiển vector động cơ không đồng bộ được cấp từ biến tần không cần tín
hiệu phản hồitốc độ từ cảm biến tốc độ, điều này có thể giảm giá thành của thiết
bị điều khiển và nâng caochất lượng các ứng dụng trong công nghiệp. Bài báo
này mô tả một phương pháp nhậndạng tốc độ rô to theo phương pháp thích nghi
dùng mô hình mẫu(MRAS). Khâu nhận dạngtính toán tốc độ roto để điều khiển
vector động cơ không đồng bộ. Các biến trạng thái phụ được đưa ra thực hiện
việc nhận dạng chính xác và ổn định. Khâu nhận dạng được thiết kếsao cho chức
năng chuyển đổi của nó co nhiều ưu điểm. Các kết quả thực nghiệm thể hiệnrằng
khâu nhận dạng tốc độ làm việc rất tôt, đáp ứng được yêu cầu điều khiển.
Lý do em đã chọn đề tài: “Điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ 3
pha” là với mong muốn ước tính được tốc độ rotor (sensorless) của động cơ đạt
hiệu quả cao khi có sự thay tốc độ, thay đổi tải và thông số động cơ thay đổi Ts (
khi động cơ nóng dần lên giá trị Rs thay đổi).
1.3 Mục đích của đề tài.
Đề tài này nhằm giải quyết vấn đề chính là:
+ Tìm hiểu các phương pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha.
+Nghiên cứu giải thuật thích nghi(MRAS) đểthực thi khâu ước lươ ̣ng tốc độ rotor
của động cơ KĐB 3 pha..
+ Nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển thích nghi động cơ KĐB 3 pha.
+ So sánh kết quả mô phỏng bằng Matlab/Simulink của phương pháp điều khiển
thích nghi (MRAS) với phương pháp điều khiển định hướng trường (DFOC).
1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài.

Tìm hiểu các phương pháp điều khiển hiện đại trong điều khiển động cơ
không đồng bộ ba pha, đề xuất phương pháp điều khiển FOC (Field Orientated
Control).

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trang5

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTNChương 1:Tổng quan.

Tìm hiểu về điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ để ứng dụng đều
khiển không dùng cảm biến trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, đề
xuất bộ điều khiển sử dụng MRAS trong điều khiển sensorless .
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu.
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
- Nghiên cứu mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha.
- Nghiên cứu xây dựng bộ quan sát tốc độ vòng kín trên cơ sở mô hình tham
chiếu thích nghi cho động cơ không đồng bộ 3 pha, ước tính thông số điện trở
stator nhằm đảm bảo mô hình chạy ổn định khi điện trở stator thay đổi, đều này
có ý nghĩa thực tế vì khi làm việc động cơ nóng dần lên điện trở stator sẽ thay đổi
khá lớn ảnh hưởng đến bộ quan sát tốc độ.
- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động điều khiển động cơ không đồng
bộ ba pha .
1.6Các bƣớc tiến hành.
- Xây dựng mối quan hệ giữa các thông số trong mô hình động cơ không đồng
bộ 3 pha.
- Tìm hiểu các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha.

- Tìm hiểu giải thuật điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ 3 pha.
- Thiết kế và xây dựng mô hình điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ
3 pha.
- Mô phỏng 2 phương pháp cơ bản và phương pháp thích nghi, sau đó so sánh
2 phương pháp.
- Đưa ra nhận xét đề tài.

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trang6

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


Chương 2:Mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha.

LVTN

CHƢƠNG II: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
2.1Tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha.
Hiện nay, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
(chiếm hơn 90%) do nó có những thuận lợi sau: dễ sản xuất, giá thành rẻ, dễ vận
hành, có khả năng làm việc ở môi trường độc hại và không cần phải bảo trì.
Động cơ không đồng bộ ba pha (động cơ cảm ứng) có dây quấn stator (bố trí
lệch nhau 120o) được cấp điện từ lưới, và nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được
sức điện động cảm ứng và dòng điện bên trong dây quấn rotor. Dòng điện ba pha
đối xứng chạy trong dây quấn ba pha sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ

n đb 

60f
( v / ph) .
p

Hình 2.1 : Động cơ không đồng bộ 3 pha .
Rotor của động cơ không đồng bộ quay với tốc độ n khác với tốc độ của từ
trường quay đồng bộ của stator n1 = nđb và độ trượt s được định nghĩa như sau:

s
Hay

n1  n
n1

(2.1)

n  n1 (1 - s)

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trang 7

(2.2)

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


Chương 2:Mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha.

LVTN

Khi mở máy, rotor đứng yên, s = 1, tần số dòng rotor bằng tần số lưới điện f.
Từ trường quay rotor sẽ quay cùng tốc độ với từ trường quay stator, tạo ra moment
mở máy làm quay rotor theo chiều của từ trường stator. Khi vận hành bình thường,
rotor quay với tốc độ nra do dòng rotor sẽ quay với tốc độ sn1 so với rotor, và quay cùng chiều với từ
trường stator.
2.2 Mô tả các đại lƣợng 3 pha ở dạng vectorr không gian
Khi xây dựng mô hình toán động cơ không đồng bộ 3 pha theo giả thuyết :
động cơ ba pha đối xứng và không bão hòa, tác động của khe hở và tổn hao trong
lõi thép stator không đáng kể, từ trường cuộn dây hình sin, khe hở không khí điều
nhau. Ngoài ra, giả thuyết là cuộn dây stator và rotor được kết nối sao cho không
cho dòng thứ tự chạy qua chúng và như vậy tổng giá trị điện áp pha và dòng điện
pha qua dây quấn stator cân bằng.

Hình 2.2 Sơ đồ cuộn dây stator của động cơ KĐB 3 pha
(2.3)

isa+ isb+ isc= 0
Tổng các biến cung cấp cho vector không gian là:

is 

2
(isa  aisb  a 2isc )
3

(2.4)

2

Trong đó: a và a là các toán tử không gian, a = e

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trang 8

j

2
3

2

, a =e

j

4
3

HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTN

Chương 2:Mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha.

Từ đó ta phân tích các dòng điện stator ( isa, isb,isc) chuyển đổi hình sin. Chuyển
đổi đầu tiên có thể thực hiện ở hệ tọa độ αβ ( chuyển đổi Clark), sau đó chuyển

sang tọa độ quay dq (chuyển đổi park).
Bằng cách hoàn toàn tương tự ta có thể tính vector tổng của điện áp, từ thông
theo biểu thức 2.3

Hình 2.3 Vectơ dòng stator i s và hình chiếu
2.2.1Hệ trục tọa độ tĩnh (α, β)
2.2.1.1 Phép biến đổi Clark-thuận (Chuyển đổ i tọa độ từ (a, b, c )→ (α, β)).
Các biến 3 pha hình sin được biễu diễn như vectơ không gian thể hiện trên hệ trục
tọa độ (αβ) như hình
β
B

isβ

is
isα

0

A= α

C

Hình 2.4 Biễu diễn vectơ dòng điện  của stator
Vectơ dòng điện stator được mô tả:

iss  iss  jiss
GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trang 9

(2.5)
HVTH: Nguyễn Đại Lợi


LVTN

Chương 2:Mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha.

Dòng điện stator dọc trục và ngang trục là các thành phần dòng ảo (2 pha dọc
trục), được triển khai cho vectơ dòng:

i s  i [cos(00 )  j sin(00 )]  i [cos(1200 )  j sin(1200 )] 
s
sa
sb
i [cos(2400 )  j sin(2400 )]
sc
1
1 

 i s  i  i  i  
s  sa 2 sb 2 sc 

 3

3
j 
i 
i 

sb 2 sc
 2


(2.6)

Điều này tương đương với:


1
1  i 

i s  1 
sa
2
2  
 s  


i 
s 

 sb 
is  0 3  3  i 
 
2
2   sc 


(2.7)

2.2.1.2 Phép biến đổi Clark ngược(Chuyển đổi tọa độ từ (α, β) → (a,b,c) ).
Phép biến đổi Clark ngược được sử dụng bằng cách chiếu các thành phần của
vectorr không gian điện áp stator lên trục A,B,C như hình, có thể xác định các thành
phần theo phương pháp hình họcđể chuyển tọa độ từ (a, b, c) sang (α, β) như sau:
β

B
Us

Usβ

Usα=Usa A,α

C

Hình 2.5 Biễu diễn vectơ điện áp trên tọa độvà abc
stator
Ta được:

GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương

Trang 10

HVTH: Nguyễn Đại Lợi