ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 3 PHA THEO BIÊN DẠNG TỐC ĐỘ TRONG ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------

TRẦN MINH NGUYÊN HÀ

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 3 PHA
THEO BIÊN DẠNG TỐC ĐỘ TRONG ĐƯỜNG
SẮT ĐÔ THỊ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã ngành: 60520114

TP. HCM, tháng

năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------

TRẦN MINH NGUYÊN HÀ

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 3 PHA
THEO BIÊN DẠNG TỐC ĐỘ TRONG ĐƯỜNG
SẮT ĐÔ THỊ
LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã ngành: 60520114

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Võ Tường Quân

TP. HCM, tháng

năm 2016


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :Võ Tường Quân.
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 05 tháng 3 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên
TS. Võ Hoàng Duy
PGS. TS. Nguyễn Tấn Tiến
PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương
TS. Đặng Xuân Kiên

TS. Nguyễn Văn Nhanh

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi vàđược sự
hướng dẫn khoa học của TS. Võ Tường Quân. Các nội dung nghiên cứu, kết
quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào
trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận
xét, đánh giá được chính tác giảthu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong
phần tài liệu tham khảo.
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như
số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích
nguồn gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm về nội dung luận văn của mình. Trường Đại học Công nghệ Thành phố
Hồ Chí Minh không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi
gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có).

TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 12 năm 2015


ii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS. Võ
Tường Quân đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình viết Luận văn tốt nghiệp.
Em chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Sau Đại học và khoa Cơ –
Điện – Điện tử, Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình
truyền đạt kiến thức trong những năm em học tập. Với kiến thức được tiếp thu trong
quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu khóa luận mà còn là
hành trang quí báu để em ứng dụng trong công việc một cách vững chắc và tự tin.
Cuối cùng em kính chúc quý Thầy, Cô dồi dào sức khỏe và thành công trong
sự nghiệp cao quý. Đồng kính chúc các học viên lớp cao học 13SCĐ21 luôn dồi dào
sức khỏe, đạt được nhiều thành công tốt đẹp trong công việc.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ CÁC ĐỊNH NGHĨA ...................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU................................................................................... ix
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .........................................................................................1

1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài: ..................................................................................1
1.3.Giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển đoàn tàu .....................................2
1.3.1 Hệ thống quản lý vận tốc của đoàn tàu: .....................................................2
1.3.2 Hệ thống đo tốc độ của đoàn tàu ................................................................2
1.3.3.Hệ thống cân đoàn tàu: ...............................................................................5
1.4. Lựa chọn phương pháp điều khiển truyền động điện.......................................5
1.4.1Các kỹ thuật điều khiển: ..............................................................................6
1.4.1.1Điều khiển vô hướng: ...........................................................................6
1.4.1.2 PWM dạng sin (PWM Sinusoidal)......................................................6
1.4.1.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung sáu – bước: ...............................7
1.4.1.4 Điều chế độ rộng xung véc tơ không gian (SVMPWM): ...................7
1.4.1.5 Điều chế độ rộng xung với mô đun hóa vọt lố (overmodulation) véc
tơ không gian [6]: ............................................................................................7
1.4.2 Điều khiển véc tơ .......................................................................................7
1.4.3 Điều khiển mô men trực tiếp – Direct Torque Control (DTC) ..................9
1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu ....................................................................10
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới:.........................................................10
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước:...........................................................12
1.6 Mục tiêu của đề tài: .........................................................................................13
1.7. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................13
1.7.1 Đối tượng nghiên cứu: .............................................................................13
1.7.2. Giới hạn phạm vi thực hiện đề tài ...........................................................14


iv

1.8. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu .............................................15
1.9. Tóm tắt các nội dung thực hiện của luận văn: ...............................................15
CHƯƠNG 2: ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ (SPEED PROFILE).........................16

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ............................................................21
3.1 Tóm tắt quy trình mô hình hóa hệ thống cho luận văn: ................................21
3.2 Mô hình hóa hệ thống: ....................................................................................24
3.2.1 Xây dựng mô hình chuyển động đoàn tàu: ..............................................24
3.3.2 Các lực và moment thành phần ................................................................28
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN...........................................................33
4.1 Tổng quát phương pháp điều khiển hướng từ trường gián tiếp – IFOC: ......33
4.2 Truyền động điện cho động cơ bằng phương pháp điều khiển hướng từ
thông gián tiếp – IFOC: ........................................................................................33
4.2.1 Biến đổi dòng điện đo được từ khung điện áp 3 pha (abc) sang điện áp 2
pha hệ tọa độ tĩnh (  ,  ) (biến đổi Clarke) .....................................................38
4.2.2 Mô hình dòng điện (bộ ước lượng từ thông rotor – nhằm xác định góc từ
thông rotor)–theo [40] ......................................................................................38
4.2.3 Biến đổi dòng điện 2 pha hệ tọa độ tĩnh (  ,  ) sang hệ tọa độ xoay (dq)
(biến đổi Park): .................................................................................................40
4.2.4 Tính toán các thông số tham chiếu đầu vào của I.F.O.C: ........................41
4.2.5 Thiết kế bộ điều khiển dòng cấp cho động cơ: ........................................43
4.2.5.1 Lựa chọn các kỹ thuật điều khiển: ........................................................43
4.2.5.2 Thiết kế bộ điều khiển: ..........................................................................44
4.2.6 Tính điện áp tham chiếu (Vd ,Vq ) từ dòng idref , iqref : .................................44
4.2.7 Biến đổi áp từ trục tọa độ (d,q) sang (α,β) (Biến đổi Park ngược) ........45
4.2.8 Điều chế độ rộng xung bằng phương pháp vector không gian (SVPWM)
– Điều khiển điện áp cấp cho các pha của động cơ: ........................................46
4.2.2 Mô men thực tế sinh ra bởi động cơ: ......................................................50
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG .......................................................................................51
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................57
6.1 KẾT LUẬN .....................................................................................................57
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN: .................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................59
PHỤ LỤC ....................................................................................................................1

v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ CÁC ĐỊNH NGHĨA
ATP:Automatic train protection – hệ thống Bảo vệ đoàn tàu tự động
CBTC: Communication – based train control - Hệ thống Điều khiển đoàn tàu dựa
trên liên lạc
Những tính chất căn bản của hệ thống CBTC như sau:
+ Xác định chính xác vị trí của đoàn tàu, với một độ chính xác cao, độc lập
với mạch điện đường ray;
+ Một mạng lưới liên lạc trên phương diện địa lý liên tục giữa đoàn tàu với
thiết bị dọc đường ray và thiết bị dọc đường ray với đoàn tàu để có thể chấp
nhận truyền dẫn tín hiệu điều khiển và thông tin trạng thái đáng kể hơn là
các hệ thống truyền thống
+ Thiết bị doc đường ray và các bộ xử lý quan trong thuộc đoàn tàu xử lý
(tính toán) và dữ liệu điều khiển và cung cấp liên tục hệ thống bảo vệ đoàn
tàu tự động (ATP), vận hành đoàn tàu tự động (ATO) và giám sát đoàn tàu
tự động (ATS) cũng có thể được cung cấp, khi được yêu cầu bởi những ứng
dụng cụ thể
DTC: Direct Torque Control –Điều khiển mô men trực tiếp
ĐCĐKĐB: Động cơ điện không đồng bộ
Điều khiển vec tơ: (Điều khiển mô men gián tiếp – Indirect Torque Control)
F.O.C: Điều khiển hướng từ trường
I.F.O.C:Điều khiển gián tiếp hướng từ trường
PWM: Điều chế độ rộng xung
SVPWM: Phương pháp điều chế vector không gian


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Các trạng thái vận hành dựa trên hợp lực và vận tốc của đoàn tàu…….19
Bảng 4.1: Tính toán thời gian đóng ngắt cho các góc 1 phần 6 (sectors)……….51


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Minh họa đoàn tàu tích hợp nhiều loại cảm biến khác nhau. .....................4
(Nguồn: Application of Sensor Fusion to Railway System [13]) ...............................4
Hình 1.2: Minh họa hệ thống cân đoàn tàu tiêu biểu [27] ..........................................5
Hình 1.3: Minh họa cân đoàn tàu động với load cell của hãng Kyowa [27] ..............5
Hình 2.1: Bốn chế độ đặc tính di chuyển của đoàn tàu [34] .....................................16
Hình 2.2: Minh họa đường đặc tính tốc độ dạng đơn giản [44] ................................17
Hình 2.3: Minh họa đường đặc tính tốc độ thực tế với các thông số thực tế của tuyến
[44] ............................................................................................................................17
Hình 2.5: Đường đặc tính tốc độ được đề xuất bởi Hitachi ......................................18
Hình 2.6: Đường đặc tính tốc độ có dạng đường cong [16] .....................................19
Hình 2.7: Minh họa tuyến tính hóa đường đặc tính tốc độ cho trước có dạng hàm bậc
2 thành các đoạn tuyến tính .......................................................................................20
Hình 3.1: Giải thuật tổng quát của luận văn .............................................................23
Hình 3.2: Giản đồ Lực – Khối lượng của đoàn tàu di chuyển (tài liệu [25]) ............24
Hình 3.3: Mô hình hóa tổng quát của luận văn .........................................................25
Hình 3.4: Mô hình lực tác động lên bánh xe của đoàn tàu (nguồn [24]) ..................29
Hình 4.1: Sơ đồ khối của I.F.O.C (điều khiển dựa trên (từ) thông gián tiếp) ........35
Hình 4.2: Sơ đồ biến đổi (dòng) dùng biến đổi Clarke –Park ..................................36
Hình 4.3: Giải thuật cho IFOC dùng trong luận văn .................................................37
Hình 4.4: Vector không gian của dòng stator và hình chiếu[22] ............................38
Hình 4.5: Mạch điện tương đương (dòng từ hóa – magnetizing current) (nguồn [40])

...................................................................................................................................39
Hình 4.6: Áp dụng Khung tham chiếu tổng quát (Biến đổi Park) ..........................40
Hình 4.7: Module khối biến đổi Park [40] ...............................................................40
Hình 4.8: Các thành phần điện áp trong biến đổi Park ngược [40] ........................45
Hình 4.9: Module biến đổi Park ngược [40] ............................................................45
Hình 4.10:Biến đổi 3 đại lượng áp thành vector không gian duy nhất .....................46
Hình 4.11: Cấu hình căn bản biến tần dùng SVPWM [23] (Jin Woo Jung) ..........46
Hình4.12: Các vector không gian căn bản và hình chiếu điện áp không gian[22] ...47
Hình 4.13: Các phân vùng đóng ngắt và các phân vùng [23] ...................................47
Hình4.14: Vector không gian điện áp và các thành phần của nó trong ....................48


viii

Hình 4.15:Vector tham chiếu là kết quả cộng vector của 2 vector thành phần trong
góc thứ 1[23] (Jin Woo Jung) ...................................................................................48
Với k là giá trị tương ứng với góc phần 6 từ 1 – 6, α là góc từ 1 đến 600, Ts=1/fsvà fs
là tần số lấy mẫu(sampling frequency/tần số đóng ngắt) .........................................49
Bảng 4.1: Tính toán thời gian đóng ngắt cho các góc 1 phần 6 (sector) [23] ...........49
Hình 4.15: Trạng thái đóng ngắt trong các phân đoạn (sector) theo phương pháp
SVPWM[23] (Jin Woo Jung) ....................................................................................50
Hình 5.1: Khối F.O.C trong thư viện của Matlab [29]..............................................51
Hình 5.2: Giản đồ tổng thể của IFOC .......................................................................53
Hình 5.3: Giản đồ Simulink của khối Field-Oriented Control..................................54
Hình 5.4: Mô phỏng mẫu của khối Field-Oriented Control ......................................54
Hình 5.5: Mô phỏng khối IFOC dùng trong luận văn với tín hiệu ...........................55
tham khảo đầu vào (dạng step và thay đổi) là vận tốc và mô men ...........................55
Hình 5.6 Kết quả mô phỏng thực tế từ trên xuống lần lượt là dòng stator,tốc độ động
cơ, moment điện từ điều khiển bằng IFOC ...............................................................56

ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
a: gia tốc (m/s2)
FB: Lực thắng của đoàn tàu (N)
fs: tần số trượt (Hz)
FT: Lực kéo cần thiết (N)
ImR: dòng từ hóa
i s : dòng điện alpha qua stator được biến đổi theo trục tọa độ alpha, beta ( , )
i s : dòng điện beta qua stator được biến đổi theo trục tọa độ alpha, beta ( , )

IW: Moment quán tính
Mmm: Mo ment cần thiết để kéo đoàn tàu (Nm)
me: khối lượng tương đương đoàn tàu (kg)
N: lực ma sát giữa bánh xe và đường ray (xem như bằng lực tác động lên trục đoàn
tàu bởi động cơ điện của đoàn tàu)
θλr: góc của từ thông rotor (rad)
R: bán kính cong của tuyến (m).
rbx: bánkính bánh xe của đoàn tàu (m)
rg : độ dốc của tuyến, tính bằng ‰
Ψsa,β: từ thông từ trường stator (stator magnetic fluxes)
Ψra,β: từ thông từ trường rotor(rotor magnetic fluxes)
Te: Moment điện từ sinh ra bởi động cơ (Nm)
Teref: Moment điện từ sinh ra bởi động cơ (Nm)
vđt: vận tốc của đoàn tàu (km/h)


x

 đc :vận tốc góc của động cơ đoàn tàu (rpm)
u: tín hiệu điều khiển
ubrnghieng: tỷ số truyềnhộp giảm tốc bánh răng nghiêng
µwheel-ray: hệ số ma sát giữa bánh xe và đường ray


1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Để bảo đảm sự an toàn, tiện nghi, tiêu thụ năng lượng, đúng thời gian biểu,
năng lực vận chuyển … của hệ thống đường sắt – đặc biệt là hệ thống đường sắt đô
thị có 2 vấn đề chính được nghiên cứu là hệ thống sức kéo và hệ thống thắng dùng
cho đoàn tàu. Do đó bài toán động lực học và điều khiển sức kéo, thắng của đoàn tàu
là bài toán được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong thực tế. Tuy nhiên vấn đề
này chưa được nghiên cứu nhiều ở Việt Nam.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài:
Bài toán điều khiển tốc độ, vị trí và lực kéo của đoàn tàu được thực hiện thông
qua 2 phần là hệ thống sức kéo (động cơ) và thắng trên đoàn tàu. Do đó điều khiển
động cơ và thắng (trên đoàn tàu) đạt được đầu ra là vận tốc và lực kéo mong muốn
và các đầu ra này thay đổi theo thời gian là được ứng dụng rất rộng rãi trong ngành
đường sắt.
Trong luận văn này người viết tập trung nghiên cứu điều khiển động cơ trên
đoàn tàu vì lý do như sau: trong một số trường hợp chỉ có hệ thống động cơ được
điều khiển như chế độ tận dụng quán tính – khi đoàn tàu xuống dốc hoặc vào nhà ga
để tiết kiệm năng lượng; điều khiển tốc độ động cơ đoàn tàu bám theo đường đặc tính
tốc độ nhằm tránh va chạm đoàn tàu phía trước. Trong các trường hợp vừa nêu chỉ có
hệ thống động cơ được điều khiển và được cung cấp năng lượng một cách tối thiểu
và hệ thống thắng được hạn chế dùng tối đa. Hơn thế nữa, hiện nay các đoàn tàu thế
hệ mới đều được trang bị hệ thống máy tính trên đoàn tàu để điều khiển hệ thống

động cơ và thắng nhằm tối ưu hóa thời gian chạy tàu, năng lượng tiêu thụ, dừng tại
ga với độ chính xác cao… Ngoài ra xu hướng hiện nay là đoàn tàu không người lái
(đã được trang bị một số tuyến tại Dubai, Anh, Madrid …), trên các đoàn tàu này hệ
thống máy tính sẽ kiểm soát hoàn toàn hệ thống sức kéo và thắng.
Tuy nhiên trong phạm vi của luận văn, hệ thống thắng sẽ chỉ được giới thiệu
một cách sơ lược mà không được đi vào nghiên cứu tính toán cụ thể. Tuy nhiên mô


2

hình hóa và xây dựng hệ thống với các thông số đầu vào nhằm điều khiển động cơ
đoàn tàu đạt được vận tốc đầu ra mong muốn với mô men xoắn phù hợp là chưa được
nghiên cứu tại Việt Nam. Lý do chủ yếu là hiện nay chưa có hệ thống đường sắt sử
dụng sức kéo bằng động cơ điện đi vào hoạt động.
1.3.Giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển đoàn tàu
1.3.1 Hệ thống quản lý vận tốc của đoàn tàu:
Trong hệ thống đường sắt đô thị, một trong những cách quản lý khoảng cách,
tốc độ phổ biến giữa các đoàn tàu (để giữ chúng không va chạm vào nhau) là “khối
di dộng” (moving-block). Hệ thống khối di động hoạt động theo nguyên lý như sau:
Dọc tuyến sẽ dùng các thiết bị chuyên dụng (mạch điện đường ray – sử dụng nguyên
lý cảm ứng điện từ) để phát hiện đoàn tàu hoặc mỗi đoàn tàu sẽ tự xác định vị trí của
nó trên tuyến và báo về trung tâm điều khiển. Trên cơ sở đó trung tâm điều khiển sẽ
tính toán khoảng cách an toàn với đoàn tàu phía trước và truyền đến cho đoàn tàu.
Dựa trên khoảng cách an toàn này, hệ thống máy tính trên đoàn tàu sẽ tự động tính
toán đường đặc tính tốc độ (speed profile) phù hợp cho đoàn tàu và vận tốc này đảm
bảo trong trường hợp đoàn tàu phía trước ngừng hoạt động do có sự cố đoàn tàu sẽ
không va chạm với đoàn tàu phía trước. Ngoài ra do đặc thù của ngành đường sắt, sẽ
có những đoạn tuyến mà tại đó tốc độ bị giới hạn nhất định do các yếu tố như bán
kính cong (đoạn vào cua), đoạn dốc… và hệ thống máy tính trên đoàn tàu cũng phải
thiết lập đường đặc tính tốc độ tại những đoạn này sao cho bằng hoặc nhỏ hơn tốc độ

quy định nhằm tránh xảy ra tai nạn như trật bánh khỏi đường ray.
Đường đặc tính tốc độ này sẽ được phân tích kỹ hơn ở chương 3. Do đó ta có
thể xem vận tốc của đoàn tàu tại mọi điểm trên tuyến là biết trước.
1.3.2 Hệ thống đo tốc độ của đoàn tàu
- Tachometer/encoder: Được gắn trên trục của động cơ. Khi bánh xe của đòan
tàu quay sẽ phát ra xung, đếm số xung này ta có thể xác định được vị trí và tính toán
được tốc độ của đoàn tàu. Ưu điểm: giá thành thấp và thời gian đáp ứng nhanh. Nhược
điểm: dễ bị ảnh hưởng bởi ồn điện tử, ngoài ra hiện tượng trượt giữa bánh và đường


3

ray khi khởi động hoặc thắng gây sai số. Để khắc phục các nhược điểm nêu trên một
số phương án đã được áp dụng khắc phục sai số của tachometer như biên độ an toàn
khoảng cách, bộ đếm trục hoặc thường xuyên reset vị trí đoàn tàu bằng transponder.
- Hệ thống dựa trên hiệu ứng Doppler: Xác định tốc độ dựa trên sự thay đổi
tần số khi vật phát ra sóng và tần số khi sóng phản hồi lại.
Công thức:
 v  vr
f  
 v  vs


  f 0


(1.1)

Trong đó:
vr: là vận tốc tương đối của người quan sát đối với môi trường, nhận giá trị

dương nếu người quan sát tiến lại gần nguồn âm,
vs: là vận tốc tương đối của nguồn đối với môi trường, nhận giá trị dương nếu
nguồn dịch chuyển ra xa đối với người quan sát.
fo: tần số sóng âm phát ra (Hz).
Thông thường hệ thống radar Doppler được dùng chung với encoder và radar
sẽ được bố trí dưới gầm tàu, 2 hệ thống này nếu dùng thuật toán phù hợp sẽ triệt tiêu
sai số lẫn nhau.
- Mạch điện đường ray: khoảng cách giữa các mạch ray tùy theo khoảng cách
cần thiết để thắng. Thông thường khoảng cách giữa 2 bộ cảm biến mạch điện đường
ray là 200m. Nhược điểm khi sử dụng phương án này là phải thường xuyên bảo trì,
độ chính xác thấp, để tăng độ chính xác của hệ thống có thể dẫn đến gia tăng chi phí
đầu tư ban đầu.
- Hệ dẫn đường quán tính (INS – Inertial navigation system): Dùng đo gia
tốc, tốc độ và độ nghiêng của đoàn tàu so với ray. Hệ thống cơ bản bao gồm con quay
hồi chuyển và gia tốc kế (accelerometer).


4

+ Gia tốc kế: dùng để đo gia tốc của đoàn tàu trong nhiều chiều khác nhau. Nếu
biết tốc độ ban đầu của đoàn tàu chính xác có thể suy ra dữ liệu vận tốc và vị trí của
đoàn tàu.
+ Con quay hồi chuyển: dùng để đo góc quay của đoàn tàu. Điều này đặc biệt
có ích trong các đoạn cua, một số đoàn tàu thế hệ mới được thiết kế để tự động
nghiêng khi vào các đoạn cua.
+ Áp dụng: một số hãng như Honeywell, Xsens, NovaTel đã phát triển 1 số bộ
INS cho các đoàn tàu, ngoài ra cũng đã được trang bị trên Maglev (hãng Shenzhen
Rion).
+ Nhược điểm: là sai số ban đầu của hệ thống, sai số tính toán trọng lực, sai số
của con quay hồi chuyển, sai số hệ thống hồi tiếp làm ảnh hưởng đến độ chính xác

của INS. Ưu điểm – đây là hệ thống chủ động không dựa trên sự quay của bánh xe
như tachometer, cũng không bị ảnh hưởng trong các đoạn hầm như GPS.
- Hệ thống GPS:
Nguyên lý hoạt động như sau: đoàn tàu sẽ trang bị 1 bộ thu tín hiệu GPS và
nhận tín hiệu từ các vệ tinh để tự xác định vị trí của mình. Thông thường độ chính
xác là 1m đến 5m và thời gian lấy mẫu là 1s. Hệ thống GPS thường được sử dụng
trong hệ thống PTC của Mỹ. Ưu điểm: chi phí thấp. Nhược điểm: không thích hợp
cho đoàn tàu tại các vị trí bẻ ghi, nhà ga và hầm.

Hình 1.1: Minh họa đoàn tàu tích hợp nhiều loại cảm biến khác nhau.
(Nguồn: Application of Sensor Fusion to Railway System [13])


5

Từ các loại cảm biến được áp dụng nêu trên, luận văn sẽ áp dụng cảm biến
encoder để xác định vị trí và vận tốc của đoàn tàu với lý do phù hợp cho việc xây
dựng mô hình thực nghiệm cũng như dễ áp dụng các thuật toán. Nếu áp dụng các loại
cảm biến như Doppler, INS sẽ không thể thực hiện kiểm tra bằng mô hình.
1.3.3.Hệ thống cân đoàn tàu:
Hiện nay có 2 phương pháp được sử dụng rộng rãi để cân đoàn tàu (gián tiếp)
là cân tĩnh và cân động.

Hình 1.2: Minh họa hệ thống cân đoàn tàu tiêu biểu [27]

Hình 1.3: Minh họa cân đoàn tàu động với load cell của hãng Kyowa [27]
1.4. Lựa chọn phương pháp điều khiển truyền động điện
Truyền động biến đổi tần số (Variable frequency drive – VFD)

6

Chức năng căn bản của VFD là hoạt động như một bộ tạo tần số biến đổi để
biến đổi tốc độ động cơ như người dùng cài đặt.
1.4.1Các kỹ thuật điều khiển:
Theo tài liệu AN887- [36] có thể chia ra như sau:
Điều khiển vô hướng (scalar control - điều khiển V/f)
Điều khiển vec tơ (Điều khiển mô men gián tiếp – Indirect Torque Control)
Điều khiển mô men trực tiếp – (Direct Torque Control – DTC)
1.4.1.1Điều khiển vô hướng:
Theo [36]:
Trong kỹ thuật điều khiển này người ta cung cấp nguồn cho động cơ
với tín hiệu tần số biến đổi được tạo ra bởi điều khiển PWM từ 1 biến tần. Tỷ lệ V/f
được giữ cho là hằng số nhằm đat được mô men không đổi trong suốt giai đoạn làm
việc. Do chỉ có biên độ của các biến đầu vào – tần số và điện áp – được điều khiển,
còn được gọi là “điều khiển vô hướng. Một cách tổng quát, truyền động theo phương
pháp này thường không có thiết bị hồi tiếp (điều khiển vòng hở). Vì thế điều khiển
kiểu này thường rẻ tiền và dễ dàng lắp đặt.Trong kiểu điều khiển này không cần biết
nhiều về các thông số động cơ.Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là tải và
mô men độc lập nhau. Ngoài ra, đáp ứng trong giai đoạn chuyển tiếp cũng chậm do
đóng ngắt các linh kiện điện tử công suất của biến tần là xác định trước.
1.4.1.2 PWM dạng sin (PWM Sinusoidal)
Theo Giáo trình Điện tử công suất 1 - [6] về nguyên lý thực hiện dựa vào kỹ
thuật analog. Giản đồ kích đóng công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín
hiệu cơ bản:
-

Sóng mang (carrier signal) tần số cao.

-

Sóng điều khiển (reference signal) hoặc sóngđiều chế (modulating signal)
dạng sin.


7

Sóng mang có thể ở dang tam giác.Tần số song mang càng cao, lượng song hài
bị khử nhiễu càng nhiều. Tuy nhiên tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phát sinh do
quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo. Ngoài ra phải tính đến thời gian đóng và
ngắt của các linh kiện. Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và
tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra.
1.4.1.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung sáu – bước:
Theo [36]:Bộ biến tần của VFD có 6 trạng thái đóng ngắt riêng biệt. Khi các
trạng thái đóng ngắt đươc thực hiện theo quy luật nhất định, động cơ 3 pha cảm ứng
sẽ quay. Ưu điểm là không có các bước tính toán trung gian và do đó dễ dàng thực
hiện. Nhược điểm là song hài bậc thấp cao hơn mà không thể lọc được bằng điện
cảm của động cơ. Điều này có nghĩa là tổn thất động cơ cao hơn, độ nhấp nhô (ripple)
của mô men cao hơn và động cơ bị giật ở tốc độ thấp.
1.4.1.4 Điều chế độ rộng xung véc tơ không gian (SVMPWM):
Phương pháp này cũng được sử dụng như một phần nhỏ của phương pháp
F.O.C nên sẽ được thuyết minh kỹ hơn trong phần F.O.C.
1.4.1.5 Điều chế độ rộng xung với mô đun hóa vọt lố (overmodulation) véc
tơ không gian [6]:
Trong các ứng dụng điều khiển công suất lớn, việc tận dụng khả
năng công suất của bộ nghịch lưu có ý nghĩa kinh tế. Do đóphát sinh nhu cầu điều
khiển mở rộng điện áp với chỉ số điều chế m=1. Nhược điểm chung của phương
pháp này là sử dụng phương pháp tra bảng để xác định góc làm việc của vector trung
bình, tính chất điều khiển phi tuyến, chưa đưa ra khả năng tối ưu về sóng hài và làm
méo dạng sóng.

1.4.2 Điều khiển véc tơ
Theo [36]:
Còn được biết với tên gọi “điều khiển dựa trên từ thông – field
oriented control”, “điều khiển dựa trên từ thông – flux oriented con troll” hoặc “điều


8

khiển mô men gián tiếp – indirect torque control”. Sử dụng điều khiển tựa từ trường
(biến đổi Clarke –Park), các véc tơ dòng ba pha được biến đổi từ khung tham chiếu
3 pha sang một khung tham chiếu quay (d-q) 2 pha. Thành phần “d” đại diện cho
thành phần tạo ra từ trường bởi dòng stator và “q” đại diện cho thành phần tạo ra mô
men. Hai thành phần được tách biệt (decouple) có thể được điều khiển 1 cách độc lập
thông qua 2 bộ điều khiển PI dòng riêng biệt. Ngõ ra của bộ PI sau đó được biến đổi
để quy về thành khung điện áp quay và cung cấp giá trị tham chiếu cho bộ biến tần
SVPWM.
Biến đổi từ khung tham chiếu tĩnh sang khung tham chiếu quay có thể được thự
hiện và điều khiển với tham chiếu một loại vec tơ không gian từ thông móc vòng ( từ
thông móc vòng stator, từ thông móc vòng rotor và từ thông móc vòng từ hóa). Một
cách tổng quát, có 3 phương án như sau:
 Điều khiển theo từ thông stator (stator flux oriented control)
 Điều khiển theo từ thông rotor (rotor flux oriented control)
 Điều khiển theo từ thông từ hóa (magnetizing flux oriented control)
Thách thức lớn nhất và chính vì thế hạn chế sử dụng của điều khiển theo trường
chính là phương pháp đo hoặc ước tính góc từ thông, Tùy theo phương pháp xác định
góc và vị trí từ thông , điều khiển vector có thể được chia ra làm 2 loại:điều khiển véc
tơ trực tiếp và gián tiếp.
Trong điều khiển trực tiếp: từ thông được đo bằng cuộn dây cảm biến từ trường
hoặc bằng cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall. Điều này làm tăng chi phí và them nữa
các phép đo này không đạt độ chính xác cao. Do đó kỹ thuật này không phải là một

kỹ thuật điều khiển tốt.
Một phương pháp phổ biến hơn là điều khiển véc tơ gián tiếp. Trong phương
pháp này góc của từ thông không được đo một cách trực tiếp mà được tính từ mạch
tương đương và từ đo tốc độ rotor, dòng và điện áp stator. Phương pháp này cần tính
toán nhiều hơn các sơ đồ (schemes) điều khiển tiêu chuẩn khác; tuy nhiên có các ưu
điểm sau - theo [40]:


9

+ Có khả năng cung cấp mô men cao ở vận tốc thấp => đặc tính này rất
phù hợp với ứng dụng đường sắt, đặc biệt là trong giai đoạn đoàn tàu khởi
động và rời khỏi điểm đầu tuyến, nhà ga
+ Có các đặc tính động năng tốt hơn
+ Điều khiển riêng biệt mô men và từ thông
+ Có khả năng chịu quá tải ngắn hạn
+ Hoạt động ở chế độ 1 phần tư (four quadrant)
Phương pháp điều khiển IFOC tuy không đo từ trường trực tiếp nhưng với
giải thuật và tính toán phù hợp thì kết quả đáp ứng ngõ ra cũng không khác biệt
nhiều so với phương pháp điều khiển có đo từ thông.
Một phương pháp phổ biến để ước tính từ thông của rotor là dựa trên quan hệ
độ trượt. Điều này đòi hỏi phải đo vị trí rotor và dòng stator. Phương phápnày có thể
thực hiện 1 cách khá tốt trong tất cả các dãy tốc độ. Phương pháp thực hiện VFD tốt
nhất hiện nay là điều khiển dựa trên từ thông gián tiếp dựa trên quan hệ độ trượt.
Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là cần thông tin về vị trí rotor từ cảm biến
gắn trên trục động cơ.
Để khắc phục nhược điểm này, có 1 phương pháp khác đang được nghiên cứu
là không dùng cảm biến. Các giải thuật sẽ được dùng để tính toán tốc độ của động
cơ, góc từ thông. Nhưng điều này sẽ dẫn đến yêu cầu là giải thuật tính toán tốc độ
phức tạp và bộ vi xử lý phải có khả năng tính toán theo thời gian thực.

1.4.3 Điều khiển mô men trực tiếp – Direct Torque Control (DTC)
Theo [11]:
Trong phương pháp này có thể tạo ra từ thông và mô men thích hợp
bằng cách xác định trạng thái đóng ngắt phù hợp của biến tần.
Một số đặc tính chính như sau:
+ Điều khiển trực tiếp từ thông và mô men.


10

+ Điều khiển gián tiếp dòng và áp stator.
+ Đặc tính động học cao ngay cả ở trạng thái rotor bị khóa
Ưu điểm là: không phải biến đổi hệ trục tọa độ, không cần khối điều chế điện
áp cũng như các bộ điều khiển như PID, thời gian đáp ứng của mô men là tối thiểu.
Nhược điểm: có thể có 1 số vấn đề trong giai đoạn khởi động, yêu cầu bộ ước
lượng từ thông và mô men, độ nhấp nhô của mô men và từ thông.
Từ ưu và nhược điểm các phương án trên, tác giả lựa chọn sử dụng phương
pháp IFOC (Điều khiển biến tần bằng Điều chế độ rộng xung véc tơ không gian.)
1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới:
Vì lý do bí quyết công nghệ (know-how) nên Hitachi chỉ miêu tả rút gọn và vắn
tắt bằng sơ đồ điều khiểnphương pháp VVVF trong thiết kế chi tiết trình nộp cho Ban
Quản lý đường sắt đô thị (nơi người làm luận văn đang công tác) và cũng vì lý do đó
mà người thực hiện luận văn không đưa vào một số hình ảnh, công thức cụ thể của
thiết kế của Hitachi trong luận văn này. Có thể tóm tắt phương pháp điềukhiểnđộng
cơ theo thiết kế hiện nay – do Hitachi thực hiện, cho tuyến metro số 1 thành phố Hồ
Chí Minhnhư sau:dòng điện mong muốn idref và iqref– tương đương với phương pháp
I.F.O.C lần lượt là dòng trong khung điện áp tham chiếu xoay (rotating reference
frame) sẽ được biến đổi để cung cấp các giá trị điện áp tham khảo (tương đương
vớibiến đổi Park ngược ởphương pháp F.O.C) mà biến tần cần cung cấp cho động cơ.

Để điều khiển điện áp này Hitachisử dụng phương pháp PWM (tuy nhiên không nêu
tên kỹ thuật cụ thể)– trong luận văn đề xuất sử dụng phương pháp SVPWM. Trong
thiết kế của Hitachi, họ chỉ đo 2 dòng hồi tiếp. Luận văn cũng chỉ đo 2 dòng hồi tiếp
và dùng phương án điện trở shunt. Do đó có thể tạm nhận xét rằng so với phương án
thiết kế về công nghệ của Hitachi thì phương pháp được đề xuất bởi luận văn là khả
thi về mặt kỹ thuật.


11

Bộ điều khiển dự báo cho điều khiển đoàn tàu đã được đề xuất trong “Predictive
Function control for Communication – Based Train Control (CBTC) Systems” [15].
Luận văn áp dụng công thức tính toán lực cản của đoàn tàu thông qua tính toán
thực nghiệm của Railway Traction [24] (Jose A. Lozano và một số đồng tác giả khác).
Bài báo khoa học Algorithms for generating train speed profiles – Jyh-Cherng
Jong, Sloan Chang [25] đã nêu các lực tác động lên đoàn tàu, chế độ động lực của
đoàn tàu, chế độ truyền động của đoàn tàu, các thông số đầu vào cho việc chọn chế
độ hoạt động của đoàn tàu từ đó đưa ra giải thuật tính toán biên dạng vận tốc - speed
profile cho đoàn tàu.
Trong thực tế, Hitachi đã đề xuất và áp dụng công nghệ VVVF (Variable
voltage/variable frequency điều biến điện áp/điều biến tần số) [26] vào truyền động
điện của đoàn tàu đường sắt đô thị (có thể tham khảo bằng sáng chế số hiệu
US005248926 năm 1993).
Báo cáo khoa học [33] A novel approach for controlling the electric drives used
in electric trains đưa ra mô hình điều khiển vận tốc và mô men động cơ dùng phương
pháp thay đổi v/f (volt/tần số). Một bộ bù áp được sử dụng cho điện thế cấp khi hoạt
động tại các tần số thấp hơn nhiều so với tần số cấp định mức.Một bộ ước lượng trạng
thái cho tần số điện áp cấp cho động cơ đã được áp dụng. Kết quả mô phỏng và thực
nghiệm cho thấy giá trị đầu ra tuân theo giá trị vận tốc và mô men mong muốn với
độ chính xác chấp nhận được khi động cơ vận hành ở trạng thái ổn định (steady state).

Báo cáo khoa học “Train trajectory optimisation of ATO systems for metro
lines” [34], đưa ra thuật toán Enhanced Brute Force nhằm lựa chọn chế độ động lực
phù hợp nhất cho đoàn tàu có xét đến Giới hạn Quyền di chuyển – điểm mà đoàn tàu
không được phép vượt qua. Báo cáo cũng có đưa ra một cách tổng quát động học của
đoàn tàu. Tuy nhiên mục đích chính của báo cáo này nhằm tối ưu hóa năng lượng tiêu
thụ của đoàn tàu nhưng không xét đến chế độ cruising - chế độ chạy tiêu hao năng
lượng sau giai đoạn khởi động.


12

Có rất nhiều hệ điều khiển đã được đề xuất cho điều khiển đoàn tàu.Bộ điều
khiển fuzzy đã được đề xuất trong “A Fuzzy Control for Train Automatic Stop
Control” [38], dựa trên các yếu tố đầu vào như sự êm dịu của hành khách, dừng chính
xác tại điểm mong muốn, bảo đảm thời gian chạy tàu phù hợp. Tuy nhiên các nghiên
cứu này chỉ nhằm điều khiển vận tốc của đoàn tàu mà không xét đến mối liên hệ giữa
vận tốc và mô men của đoàn tàu (động cơ)
Luận văn sử dụng một số công thức tính toán dành cho bộ Điều khiển Gián tiếp
dựa trên trường (IFOC) của tài liệu [40]- AN2388 Application note Sensor field
oriented control (IFOC) of three phase AC induction motors using ST10F276): Biến
đổi Clark, Biến đổi Park, Biến đổi Park ngược, ước lượng từ thông rotor (rotor flux
estimator).
Luận văn sử dụng một số công thức tính toánđiện áp theo khung tham chiếu
quay trên hệ trục d-q (Vd, Vq), thời gian đóng ngắt của SVPWM từ tài liệu [41]
Simulation and analysis of Indirect Field Oriented Control (IFOC) of Three phase
Induction Motor with Various PWM Techniques.
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước:
Do điều kiện lịch sử, nghành đường sắt quốc gia của Việt Nam chỉ dùng các hệ
thống diesel và các động cơ này hoàn toàn nhập từ nước ngoài. Hệ thống điều khiển
rất thô sơ: dùng đèn báo do người điều khiển, một số vị trí quan trọng dùng mạch

điện đường ray (track circuit), gần đây có 1 số đoạn được nâng cấp lên dùng bộ đếm
trục (axle counter). Do đó đề tài nghiên cứu hệ thống điều khiển đoàn tàu (sử dụng
động cơ điện) tự động và bán tự động là chưa có.
Một số tuyến đường sắt đô thị gần đây được đầu tư bởi Chính phủ có sử dụng
hệ thống điều khiển đoàn tàu bán tự động và không người lái. Tuy nhiên các thiết kế
chỉ mô tả vắn tắt về mặt công nghệ, các yêu cầu về mặt thông số của hệ thống và hoàn
toàn không đề cập đến máy tính trên đoàn tàu cũng như các bộ điều khiển tại trung