Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển chuyển động sử dụng động cơ không đồng bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LƯU VĂN ĐỨC

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – Năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LƯU VĂN ĐỨC

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. NGUYỄN MẠNH TIẾN

Hà Nội – Năm 2012

 
 

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành là nhờ sự chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tận
tình của thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Mạnh Tiến, các thầy cô trong bộ môn
Điều khiển và Tự động hóa - Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, và sự động viên,
cổ vũ của bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt là gia đình tôi.
Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường
ĐHBK Hà Nội, những người đã truyền đạt, củng cố những tri thức quan trọng trong
suốt thời gian học vừa qua, xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Điều khiển và Tự
động hóa đã giúp tôi nâng cao kiến thức, mở rộng hiểu biết về chuyên ngành được
học.
Đặc biệt, tôi bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS.
Nguyễn Mạnh Tiến, người đã không những tận tình giúp tôi định hướng phương
pháp nghiên cứu phù hợp mà còn dành thời gian đọc bản thảo và chỉ ra các sai sót
để luận văn sớm được hoàn thành.
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè và
đồng nghiệp đã luôn động viên và khích lệ tôi trong suốt quá trình làm luận văn.

Hà Nội ngày 27 tháng 3 năm 2012
Học viên

Lưu Văn Đức

 
 

-i-


 

LỜI CAM ĐOAN !

Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sỹ có đề tài: “Nâng cao chất lượng hệ thống
điều khiển chuyển động sử dụng động cơ không đồng bộ” do tôi tự thực hiện dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến. Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung
thực.
Ngoài các TLTK đã dẫn ra ở cuối sách em đảm bảo rằng không sao chép các công
trình hoặc TKTN của người khác. Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam đoan trên,
tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Học viên

Lưu Văn Đức

 

–ii-


 
 

-

Giới thiệu các phương pháp điều khiển phi tuyến, các bộ điều khiển thích

nghi và bền vững.

-

Đưa ra cơ sở toán học, cách giải quyết về phương pháp bình phương nhỏ
nhất đệ quy.

Chương 3 : XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG
-

Xây dựng các bộ điều chỉnh cho hệ thống điều khiển vị trí sử dụng động cơ
không đồng bộ

-

Xây dựng bộ điều chỉnh vị trí tự chỉnh tham số dựa trên bộ nhận dạng tham
số sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất đệ quy.

Chương 4 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
-

Mô phỏng hệ thống điều khiển sử dụng Matlab – Simulink.

-

Nhận xét, đánh giá các kết quả mô phỏng.
Mặc dù qua thời gian làm việc cố gắng, nghiêm túc và đã có một số kết quả

ban đầu song do hiểu biết còn hạn chế, luận văn chắc còn có nhiều thiếu sót. Tôi xin
chân thành mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn quan tâm để

luận văn có thể giúp ích cho những nghiên cứu sâu hơn sau này.

Hà nội, ngày 27 tháng 3 năm 2012
Học viên

Lưu Văn Đức

 
 

vii


 
sys = [Kp,Kd,J1,B];

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………..i
LỜI CAM ĐOAN..……………………………………………………...…..ii
MỤC LỤC….………………………………………………………...…….iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..……………………………………….........iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT…..…………………………………......v
ABSTRACT…………………..……………………………...…………......vi
LỜI NÓI ĐẦU……………..…………………………………...…..….......vii
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ..................... 1 
1.1. 

Khái quát về các phương pháp điều khiển động cơ KĐB................. 1 

1.2. 

Mô hình động cơ không đồng bộ trong các hệ trục tọa độ............... 2 

1.2.1. 

Vector không gian và các hệ tọa độ ............................................ 2 

1.2.2. 

Mô hình trạng thái liên tục ĐCKĐB rotor lồng sóc .................. 4 

Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ......................................................................................................... 7 
2.1. Khái quát về phương pháp điều khiển véc tơ ....................................... 7 
2.1.1. Điều khiển véc tơ trực tiếp.............................................................. 9 
2.1.2. Điều khiển véc tơ gián tiếp ............................................................. 9 
2.2. Các phương pháp điều khiển phi tuyến................................................ 11 
2.2.1. Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc................................... 11 
2.2.2. Tuyến tính hóa chính xác .............................................................. 12 
iv 


 
2.2.3. Điều khiển trượt ............................................................................ 16 
2.3. Điều khiển thích nghi.......................................................................... 17 
2.4. Điều khiển bền vững ............................................................................ 20 
2.5. Phương pháp bình phương nhỏ nhất đệ quy ........................................ 21 
Chương 3. XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỔNG HỢP HỆ
THỐNG........................................................................................................... 28 

3.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí....................................................... 28 
3.2. Mô hình toán học động cơ ................................................................... 29 
3.2.1. Hệ phương trình tổng quát ............................................................ 29 
3.2.2. Mô hình tuyến tính hoá của động cơ............................................. 31 
3.3. Mô tả toán học của các khâu ................................................................ 36 
3.3.1. Khâu nghịch lưu ............................................................................ 36 
3.3.2. Khâu đo đòng ................................................................................ 36 
3.3.3. Bộ tính từ thông ............................................................................ 37 
3.4. Tổng hợp các bộ điều khiển ................................................................. 37 
3.4.1. Tổng hợp các mạch vòng dòng điện sinh mômen ........................ 37 
3.4.2. Tổng hợp các mạch vòng điều khiển dòng điện sinh từ thông và từ
thông rotor ............................................................................................... 38 
3.4.3. Tính toán tham số cho các bộ điều khiển..................................... 41 
3.5. Bộ điều chỉnh vị trí............................................................................... 42 
3.6. Xác định mô men quán tính J, B.......................................................... 45 
Chương 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .................................... 49 
4.1. Sơ đồ các khâu trong mô hình.............................................................. 49 
iv 


 
4.1.1. Sơ đồ khâu nghịch lưu .................................................................. 49 
4.1.2. Mô hình động cơ trên hệ trục dq................................................... 50 
4.2. Mô hình tổng thể khi chưa có khâu nhận dạng .................................... 50 
4.3. Mô hình tổng thể khi có khâu nhận dạng............................................. 53 
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 56 
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 57 
PHỤ LỤC........................................................................................................ 58 
TÓM TẮT LUẬN VĂN

iv 


 

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Xây dựng vector dòng stator từ 3 dòng pha. ................................... 3 
Hình 1. 2: Vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định và hệ tọa độ quay.. 4 
Hình 1. 3: Mô hình liên tục của ĐCKĐB rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq...... 7
Hình 2. 1 : Sơ đồ khối điều khiển véc tơ trực tiếp động cơ KĐB...................... 9 
Hình 2. 2: Sơ đồ khối điều khiển véc tơ gián tiếp động cơ KĐB .................... 10 
Hình 2. 3: Ổn định hệ phi tuyến ...................................................................... 12 
Hình 2. 4: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa chính xác hệ phi tuyến, hệ mới có
đặc điểm vào-ra tuyến tính trong toàn bộ không gian trạng thái................... 13 
Hình 2. 5: Tuyến tính hóa chính xác vào-ra hệ phi tuyến MIMO................... 16 
Hình 2. 6: Quĩ đạo mặt phẳng pha của một hệ thống được gọi là ổn định bằng
bộ điều khiển trượt .......................................................................................... 17 
Hình 2. 7: Sơ đồ khối của hệ thích nghi mô hình tham chiếu MRAS.............. 18 
Hình 2. 8: Mô hình tự chỉnh định.................................................................... 19 
Hình 2. 9: Mô hình điều khiển bền vững......................................................... 20 
Hình 2. 10: Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển LQG ....................................... 21
Hình 3. 1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí ...................................................... 28 
Hình 3. 2: Mô hình động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq....................................... 31 
Hình 3. 3: Mô hình tuyến tính hoá ĐCKDB quanh điểm làm việc ................. 32 
Hình 3. 4: Mô hình động cơ KĐB trong hệ toạ độ dq đã tuyến tính hoá quanh
điểm làm việc................................................................................................... 33 
Hình 3. 5a,b: Mô hình động cơ KĐB đã đơn giản hoá trên hệ toạ độ dq....... 34 
Hình 3. 6 a,b: Nhánh isd của ĐCKĐB trên hệ toạ độ dq ................................. 35 
Hình 3. 7: Mạch vòng dòng điện Isq............................................................... 37 
Hình 3. 8: Cấu trúc mạch vòng dòng điện Risd và Rψ ..................................... 39 

iv 


 
Hình 3. 9: Cấu trúc mạch vòng dòng điện isd ................................................. 39 
Hình 3. 10: Mạch vòng điều chỉnh từ thông ................................................... 40 
Hình 3. 11: Cấu trúc bộ điều khiển vị trí ........................................................ 44
Hình 4. 1: Sơ đồ khâu nghịch lưu ................................................................... 49 
Hình 4. 2: Sơ đồ động cơ trên hệ dq ............................................................... 50 
Hình 4. 3: Mô hình tổng thể khi chưa có khâu nhận dạng.............................. 51 
Hình 4. 4: Đáp ứng dòng điện kích từ............................................................. 51 
Hình 4. 5: Kết quả mô phỏng vị trí góc khi I=Idm ......................................... 52 
Hình 4. 6: Kết quả mô phỏng vị trí góc khi I=3*Idm ..................................... 52 
Hình 4. 7: Mô hình mô phỏng tổng thể khi có khâu nhận dạng...................... 53 
Hình 4. 8: Bộ điều khiển PD ........................................................................... 53 
Hình 4. 9: Kết quả mô phỏng vị trí góc khi có khâu nhận dạng J .................. 54 
Hình 4. 10: Giá trị momen quán tính J nhận dạng được ................................ 54 
Hình 4. 11: Đáp ứng vị trí góc trong 3 trường hợp. ....................................... 55 

iv 


 
 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
ĐC- Động cơ
KĐB- Không đồng bộ
ĐMC- Động cơ một chiều
RFO- Rotor Flux Orientation

SFO- Stator Flux Orientation
NFO- Natural Field Orientation
DTC- Direct Torque Control
DSC- Direct Self Control
SMC- Sliding Mode Control
LQR- Linear Quadratic Regulator
LQG- Linear Quadratic Gaussian
RMS- Root Mean Square
RLS- Recursive Least Squares
ERLS- Extended Recursive Least Squares
STR- Self-turning regulator

 
 

v


 
MASTER THESIS
ABSTRACT
Subject: Improving the quality of motion control system based on induction
motors.
Author : Luu Van Duc

Course: 2009 – 2011

Instructor: Dr. Nguyen Manh Tien
a. Why choose topic
Nowadays, induction motors are an excellent option for industrial application

since they are more robust and cheaper than DC counterparts. However, to make
it possible to spread the use of induction motors to a wider range of applications,
the use of high-performance control techniques is required.
Currently, the position control system based on induction motors is being
researched and applied. The motion system of robot manipulator is nonlinear and
coupling system with variable and uncertain dynamic parameters such as inertia
torque and load disturbance. A classical PID controller would not be satisfied for
receiving high trajectory accuracy. To improve the quality of the position control
system, it is necessary to identify the dynamic parameters and adjust the
controller’s gains. Therefore, the topic of this thesis is “Improving the quality of
motion control system using induction motor”.
b. The purpose of thesis research, the object and scope of research
This thesis is aimed to improve the performance of position control for
induction motors by using Self-turning regulator. It also conducts the simulation
of that model to prove the performance of the control structure.
c. Concise summary of the main content and contribution of authors
The content of topics is presented in four chapters:
Chapter 1: Build mathematical model of induction motors in coordinators to
serve for calculating, modeling, and simulating motor in next chapters.

 vi 


 
Chapter 2: Present some control methods including vector control system, nonlinear control system and adaptive & robust control system. Then, analysis basic
algorithm of Recursive Least Squares.
Chapter 3: Design the control system consisting of three control loops: the motor
current controller, the rotor flux controller and the position controller.
Chapter 4: Carry out modeling of control system designed in chapter 3 with the
testing result on Matlab-Simulink. The simulation results show that the

controllers response well.
d. Research methods
Simulate algorithm of RLS by using S-function in Matlab
e. Conclusions
By using an Self-turning regulator based on RLS algorithm, it is possible to
obtain the rotor position with better response.

 vi 


 
 

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
do ưu điểm về sự bền vững và giá thành của nó so với động cơ một chiều. Nhờ sự
phát triển của công nghệ trong các lĩnh vực điện tử công suất, vi xử lý, các công cụ
toán học, nhiều phương pháp điều khiển mới ra đời và thu được hiệu quả. Tuy
nhiên, chất lượng của các bộ điều khiển này phụ thuộc vào sự thay đổi tham số của
động cơ trong quá trình làm việc. Việc điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển
phải do người thiết kế tự chỉnh định lại. Chính vì vậy, để mở rộng phạm vi ứng
dụng của động cơ không đồng bộ hơn nữa thì cần có sự ra đời của các bộ điều khiển
chất lượng cao.
Bộ quan sát trạng thái thích nghi và tự chỉnh ra đời với mục tiêu quan sát và
nhận dạng tham số. Các bộ điều khiển này có chất lượng điều chỉnh rất tốt trên một
dải tốc độ rộng. Nhưng nếu ở dải tốc độ thấp, thời gian lấy mẫu nhỏ nếu sử dụng
cảm biến tốc độ thì không thể đo được giá trị tốc độ tức thời do đó tốc độ có thể bị
sai, hệ thống không ổn định và không đạt được chất lượng mong muốn. Luận văn
này sẽ giới thiệu một trong các giải pháp cho vấn đề này. Trọng tâm của luận văn
“Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển chuyển động sử dụng động cơ không

đồng bộ” đi vào nghiên cứu phương pháp điều khiển thích nghi tham số của bộ điều
khiển vị trí cho truyền động động cơ không đồng bộ sử dụng bộ quan sát trạng thái
Kalman và bộ nhận dạng tham số theo phương pháp bình phương nhỏ nhất đệ quy.
Nội dung luận văn bao gồm 4 chương chính được trình bày như sau:
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
-

Dựa trên khái niệm véc tơ không gian, xây dựng hệ phương trình động học
mô tả động cơ không đồng bộ.

Chương 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
-

 
 

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ.

vii


 
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1.

Khái quát về các phương pháp điều khiển động cơ KĐB
Đối với động cơ một chiều (ĐMC) ta có thể điều khiển độc lập hai thành

phần: dòng tạo từ thông (dòng điện kích từ) và dòng tạo mômen quay (dòng mạch
điện phần ứng). Do hai mạch điện của ĐMC là hoàn toàn cách ly, ta thu được thuật

toán điều chỉnh đơn giản và đòi hỏi ở vi xử lý một lượng thời gian tính toán không
lớn. Ngược lại, với động cơ không đồng bộ ba pha do cấu trúc phức tạp nên việc
mô tả toán học theo đặc điểm cách ly như với ĐMC gặp nhiều khó khăn. Một số
phương pháp điều khiển động cơ KĐB được đưa ra bao gồm :
• Tựa từ thông rotor (Rotor Flux Orientation- RFO)
• Tựa từ thông stator (Stator Flux Orientation -SFO)
• Tựa từ thông tự nhiên (Natural Field Orientation- NFO)
• Điều khiển momen trực tiếp (Direct Torque Control- DTC)
• Điều khiển tự chỉnh trực tiếp (Direct Self Control - DSC)
Trong đó phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor (RFO) cho phép tách
các thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo mômen quay từ dòng điện xoay chiều
ba pha trong cuộn dây stator của động cơ. Sau đây ta sẽ nghiên cứu kỹ hơn về
phương pháp này.
Ngoài ra, trong lý thuyết điều khiển hiện đại xuất hiện nhiều phương pháp
điều khiển phi tuyến áp dụng cho đối tượng động cơ KĐB. Một số phương pháp
được liệt kê như dưới đây:
Các phương pháp điều khiển phi tuyến có thể được phân chia thành các
phương pháp kỹ thuật để có thể giải quyết hệ thống phi tuyến như một hệ thống
tuyến tính trong một phạm vi giới hạn vận hành và sử dụng các công cụ thiết kế
tuyến tính cho từng vùng (phương pháp Gain scheduling). Những phương pháp có
gắng đưa ra phản hồi phi tuyến phụ trợ trong một hệ thống có thể được xử lý như hệ
tuyến tính cho các mục đích thiết kế điều khiển (tuyến tính hóa phản hồi). Một số
phương pháp dựa trên lý thuyết Lyapunov (điều khiển trượt SMC, Backstepping)
Ta sẽ bàn về các phương pháp này kĩ hơn trong chương tiếp theo.
iv 


 
1.2.

Mô hình động cơ không đồng bộ trong các hệ trục tọa độ

1.2.1. Vector không gian và các hệ tọa độ
Dòng ba pha hình sin phía stator

của động cơ KĐB ba pha không nối

điểm trung tính
Xây dựng vector dòng điện stator

quay trên không gian với tần số góc của

dòng điện stator

 

Trong đó : 

 

 vector dòng điện stator

 

iv 


 

Lúc này, ba dòng pha sẽ là hình chiếu của vector

trên trục của các cuộn

dây pha động cơ tương ứng. Vector này quay xung quanh gốc tọa độ với tốc độ
và độ lớn bằng biên độ dòng điện stator.

Hình 1. 1: Xây

dựng vector dòng stator từ 3 dòng pha.

a. Hệ tọa độ stator cố định (αβ)
Lấy trục thực Re là trục đi qua cuộn dây pha U và đặt nó là trục α. Trục ảo tương
ứng là β. Lúc đó, phương trình biểu diễn của vector

lên hệ trục αβ này sẽ là:

Ta có:

b. Hệ tọa độ quay dq
Tương như như trên hệ tọa độ αβ, ta giả thiết tồn tại một hệ tọa độ dq quay đồng
bộ với vector trong hình vẽ (1.1), ta có thể biểu diễu các vector
như sau:

iv 

trên hệ tọa độ dq


 
(Chỉ số biết bên phải trên cao s,f lần lượt cho: hệ tọa độ stator cố định, hệ tọa độ từ

thông)
Tương tự véc tơ điện áp, dòng điện rotor, từ thống stator, rotor được biểu diễn ở
dạng:

Trong đó:

lần lượt là các vector điện áp stator, dòng điện rotor, từ

thông stator, và từ thông rotor.

Hình 1. 2: Vector

dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định và hệ tọa độ quay

Từ hình vẽ (1.2) ta thu được:

Từ đó ta có:

Qua công thức trên, ta thu được công thức tổng quát qui đổi giữa 2 trục tọa độ αβ và
dq là:
Trong (1.8) thì u là một vector bất kỳ.
1.2.2. Mô hình trạng thái liên tục ĐCKĐB rotor lồng sóc
a. Mô hình trạng thái trên hệ tọa độ αβ

iv 


 
Các máy điện xoay chiều ba pha được mô tả bởi hệ các phương trình vi phân bậc
cao. Điều này là do các cuộn dây pha được bố trí rải về mặt không gian, các tương

tác qua lại giữa các mạch từ. Vì vậy, để có thể tìm được mô hình đối tượng ta phải
thực hiện một số giả định gần đúng như:
• Coi tất cả các thành phần điện cảm – điện trở là các phần tử tham số tập
trung
• Các cuộn dây ba pha luôn được bố trí đối xứng lý tưởng
Từ 2 phương trình điện áp stator và điện áp rotor viết trên hệ tọa độ cố định stator ta
có các phương trình.

Trong đó:

: dòng điện của mạch điện rotor, stator
: từ thông của mạch điện rotor, stator
: điện trở rotor, stator
: điện cảm rotor, stator và hỗ cảm giữa 2 mạch

Rút

và

từ 2 phương trình dưới thay lên 2 phương trình trên trong hệ (1.9) ta

thu được :

: hệ số từ tản toàn phần
: hằng số thời gian stator và rotor.
Sau một vài phép biến đổi hệ phương trình (1.10) ta thu được:

Trong đó :

iv 

 

Thay

từ phương trình cuối của hệ (1.9) vào (1.10) ta thu được :

b. Mô hình trạng thái trên hệ tọa độ dq
Tương tự như khi xây dựng cho hệ trục tọa độ stator cố định, ta có các phương trình
cho hệ trục tọa độ dq như sau:

Loại bỏ dòng rotor và từ thông stator ta thu được:
Trong đó :

(1.15)
Phương trình mô men

Biểu diễn hệ phương trình trên dưới dạng một sơ đồ khối ta thu được:

iv 


 

Hình 1. 3: Mô

hình liên tục của ĐCKĐB rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq

Qua việc xây dựng mô hình động cơ trên 2 hệ trục tọa độ cố định

xuất hiện thành phần tương tác phi tuyến giữa

và dq là sự

và

Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ
2.1. Khái quát về phương pháp điều khiển véc tơ
Với động cơ một chiều DC ta có phương trình mô men của động cơ :
Mô men sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng điện phần ứng
và từ trường sinh ra trong phần kích từ của động cơ. Cấu tạo của động cơ một chiều
cho phép ta điều khiển độc lập từ trường và dòng điện phần ứng của động cơ. Do đó
ta có thể điều khiển độc lập từ thông và mô men động cơ. Chính vì vậy nên động cơ
một chiều có chất lượng đáp ứng rất cao.
Tương tự như động cơ một chiều, động cơ KĐB cũng có 2 thành phần:
-

Rotor tương ứng với mạch phần ứng của động cơ một chiều.

-

Stator tương ứng với phần kích từ của động cơ một chiều.

iv 


 
Tuy nhiên, do cấu trúc của động cơ KĐB, dòng rotor không thể điều khiển
trực tiếp và phương trình mô men của động cơ là phi tuyến. Phương pháp điều

khiển véc tơ có mục đích nhằm điều khiển động cơ KĐB giống như động cơ một
chiều, nghĩa là ta điều khiển thành phần dòng điện sinh từ thông và mô men động
cơ độc lập với nhau.
Theo chương 1 ta có, phương trình mô tả động cơ KĐB trên hệ tọa độ

biểu thị

qua dòng stator và từ thông rotor:

Phương trình mô men cho ta thấy sự phức tạp khi điều khiển động cơ KĐB
vì mô hình động cơ là phi tuyến và các biến có quan hệ tương tác lẫn nhau. Bằng
cách chọn hệ trục tọa độ dq quay đồng bộ với véc tơ từ thông rotor, và có trục d
trùng với từ thông rotor, ta có:

Hơn nữa, nếu ta có thể giữ
men độc lập thông qua

thì ta có thể điều khiển thành phần mô

.

Tóm lại, động cơ KĐB có thể điều khiển như động cơ một chiều với phương trình
mô men

trong đó:
điều khiển thông qua thành phần dòng stator

-

Từ thông

-

Mô men động cơ điều khiển thông qua thành phần dóng stator

Hai phương pháp kinh điển dùng trong điều khiển véc tơ động cơ KĐB là:
-

Điều khiển trực tiếp: dùng cảm biến đo trực tiếp từ thông động cơ.

-

Điều khiển gián tiếp: dùng cảm biến đo vị trí rotor để tính toán ra từ thông
động cơ.
iv 


 
2.1.1. Điều khiển véc tơ trực tiếp
Dùng cảm biến đo từ thông khe hở của động cơ. Qua hai thành phần vuông góc của
từ thông khe hở để xác định góc quay của từ trường

Mô hình hệ thống điều khiển được mô tả như hình vẽ dưới đây:

Φr

θr

Φ*r

idse*

iαe*s

iqse*

iβe*s

αβ

Φα s

Φr

Φβ s

ias*

αβ

ibs*
ics*

θr
Φr

Hình 2. 1 :

Sơ đồ khối điều khiển véc tơ trực tiếp động cơ KĐB

2.1.2. Điều khiển véc tơ gián tiếp
Ta có phương trình :

: là góc lệch giữa 2 trục tọa độ

, trục

: góc pha ban đầu của từ thông rotor. Đối với động cơ KĐB thông thường ta chọn
(tức là từ hóa xong mới khởi động động cơ).
Lại có,
Trong đó:
: Tần số góc của dòng điện stator.
: Tốc độ quay của rotor
iv 


 
: Tốc độ góc trượt

Từ các giá trị

và

ta có thể tính ra mô men và từ thông như sau:

Ta đó ta có sơ đồ nguyên lý điều khiển như sau:

τr

Φ*r

p+

Lm

idse*

1

iαe*s

τr
e*
qs

i

1
kΦ*r

αβ

iβe*s

αβ

ias*

ibs*
ics*

θr

÷

ωsl*

Hình 2. 2: Sơ

1
p

θ sl*

θ

đồ khối điều khiển véc tơ gián tiếp động cơ KĐB

So sánh hai phương pháp điều khiển véc tơ trực tiếp và gián tiếp ta có thể rút ra kết
luận:
-

Phương pháp điều khiển gián tiếp đơn giản hơn vì vị trí của rotor có thể đo
được bằng cảm biến gắn ngoài.

-

Tuy nhiên, độ trượt cần thiết

phụ thuộc vào thông số động cơ

. Tuy nhiên, thông số này biến thiên đáng kể trong quá trình vận hành động
cơ.

iv 


 
2.2. Các phương pháp điều khiển phi tuyến
2.2.1. Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc

Bản chất của phương pháp này là sự xấp xỉ gần đúng hệ phi tuyến trong
lân cận điểm làm việc bằng một mô hình tuyến tính. Về phương diện hình học
là việc thay một đoạn đường cong trong lân cận đủ nhỏ xung quanh điểm làm
việc bằng một đoạn thẳng tiếp xúc với đường cong tại điểm đó. Phương pháp
này có nhược điểm là tại mỗi thời điểm nó chỉ tuyến tính hóa được trong
phạm vi một lân cận nhỏ xung quanh điểm làm việc nên khả năng chống
nhiễu kém và không dùng được trong toàn bộ không gian trạng thái, việc
chuyển từ điểm làm việc này sang điểm làm việc khác có thể dẫn tới sự mất
ổn định của hệ thống. Đặc biệt với các đối tượng phi tuyến mạnh như
ĐCKĐB thì việc xác định được các điểm làm việc cân bằng là hết sức khó
khăn, hơn nữa trong một số chế độ làm việc của động cơ hệ thống trở nên dao
động mạnh và lân cận để tuyến tính hóa không còn chính xác.
Xét hệ phi tuyến có mô hình trạng thái:

(2.8)
Giả sử rằng hệ có điểm cân bằng
,

và trong lân cận điểm làm việc

hệ được mô tả gần đúng bằng mô hình tuyến tính:
(2.9)

Trong đó sai số

,

,

.

Hệ (2.8) được chứng minh là ổng định (tiệm cận Lyapunov) tại

khi

hệ (2.9) là ổn định, khi và chỉ khi các giá trị riêng của ma trận A có phần thực
âm. Trường hợp của hệ (2.9) không ổn định thì có thể áp dụng phương pháp
thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái R tĩnh để ổn định hệ (hình vẽ 2.3),

iv