Thiết kế bộ điều khiển trượt cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THÁI THUẬN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO ĐỘNG CƠ
ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THÁI THUẬN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO ĐỘNG CƠ
ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. PHẠM ĐỨC ĐẠI

HÀ NỘI, NĂM 2017

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên
cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn
nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện
trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận văn

Nguyễn Thái Thuận

i


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS. PHẠM ĐỨC ĐẠI đã tận tình hướng dẫn và
gợi mở cho tôi những vấn đề gặp phải trong suốt quá trình làm luận văn. Ngoài ra,
chính sự tận tâm và nhiệt huyết trong quá trình giảng dạy cũng như hướng dẫn của
Thầy đã giúp tôi quyết tâm hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến toàn thể giảng viên Khoa Năng Lượng, các thầy đã trực
tiếp giảng dạy và truyền đạt kiến thức. Cám ơn các cán bộ Phòng đào tạo ĐH 2 đã tạo
điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại Trường.
Cảm ơn Trường Cao Đẳng Nghề Ninh Thuận nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện
giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và thực hiện luận văn.
Tôi xin gửi tặng thành quả này cho gia đình tôi. Chính gia đình là những người luôn
gần gũi, theo dõi và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Sau hết, tôi xin cảm ơn các bạn học viên cao học Kỹ Thuật Điện K24 ĐH2, các bạn
đồng nghiệp đã đồng hành, động viên, giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình học tập và
thực hiện luận văn.

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................viii
CHƯƠNG 1
CỬU
1.1

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH
........................................................................................................... 1

Tổng quan về động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) ............... 1

1.1.1

Khái quát về động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) ............ 1

1.1.2

Ứng dụng của động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu......................... 1

1.2

Động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) ............................. 2

1.2.1

Vector không gian và các đại lượng 3 pha ................................................ 4

1.2.2

Xây dựng mô hình động cơ PMSM trong Matlab - Simulink ................... 9

CHƯƠNG 2
2.1

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PMSM ............... 18

Phương pháp điều khiển vector ................................................................... 18

2.1.1

Cấu trúc hệ điều khiển Vector động cơ PMSM....................................... 19

2.1.2

Khâu chuyển đổi điện áp CĐu ................................................................ 21

2.1.3

Khâu chuyển đổi dòng điện CĐi ............................................................ 21

2.1.4

Mạch vòng điều chỉnh dòng ( id và iq ) ..................................................... 21

2.1.5

Mạch vòng điều chỉnh tốc độ  ............................................................. 22

2.2

Phương pháp điều khiển trực tiếp moment (DTC) ....................................... 23

2.2.1

Cấu trúc hệ điều khiển DTC ................................................................... 24

2.2.2

Phương trình động cơ trong hệ tọa độ từ thông stator ............................. 24

2.2.3

Lựa chọn vectơ điện áp điều khiển từ thông stator.................................. 28

2.2.4

Điều khiển moment ................................................................................ 29

2.2.5

Lựa chọn vector điện áp ......................................................................... 30

2.2.6

Uớc lượng từ thông và moment .............................................................. 31

2.2.7

Bộ so sánh từ thông và moment ............................................................. 32

2.2.8

Thiết lập bảng chuyển mạch ................................................................... 33

2.3
Tổng hợp bộ điều khiển PI điều khiển động cơ theo phương pháp điều khiển
vector ................................................................................................................... 34

iii


2.3.1 Tổng hợp bộ điều khiển PI dòng điện điều khiển động cơ theo phương
pháp điều khiển vector ....................................................................................... 35
2.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển PI tốc độ điều khiển động cơ theo phương pháp
điều khiển vector................................................................................................ 36
2.4
Kết quả mô phỏng bộ PI dòng điện và tốc độ điều khiển động cơ bằng
Matlab – Simulink: ................................................................................................ 37
CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ÁP DỤNG CHO ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ PMSM..................................................................................................... 42
3.1

Tổng quan về điều khiển trượt .................................................................... 42

3.1.1

Điều khiển trượt ..................................................................................... 42

3.1.2

Lý thuyết điều khiển trượt ...................................................................... 42

3.2

Xét hệ thống điều khiển trượt bậc 2............................................................. 45

3.3
Nâng cao chất lượng bộ điều khiển trượt bằng cách giảm thời gian đạt tới
mặt trượt ................................................................................................................ 47
3.3.1

So sánh về thời gian đạt tới mặt trượt của hai luật .................................. 47

3.3.2

So sánh về độ dao động của hai luật ....................................................... 49

3.4

Thiết kế bộ điều khiển trượt cho động cơ PMSM ........................................ 49

3.4.1

Phương trình mô tả toán học động cơ PMSM trên hệ tọa độ dq .............. 49

3.4.2

Thiết kế bộ trượt cho động cơ PMSM .................................................... 49

3.4.3 Sơ đồ và chương trình mô phỏng bộ điều khiển trượt trong Matlab –
Simulink động cơ PMSM ................................................................................... 51
3.4.4 Sơ đồ và kết quả mô phỏng bộ điều khiển trượt động cơ PMSM bằng
Matlab-Simulink: ............................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 65

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực lồi ..................... 3
Hình 1.2 Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực ẩn ...................... 3
Hình 1.3 Vector không gian từ các đại lượng pha ....................................................... 5
Hình 1.4 Biểu diễn dòng điện stator trên hệ tọa độ (    ) ....................................... 6
Hình 1.5 Mối liên hệ giữa tọa độ (    ) và tọa độ ( d  q ) ...................................... 7
Hình 1.6 Biểu diễn các vector trên hệ tọa độ từ thông rotor ( d  q ) ........................... 8
Hình 1.7 Sơ đồ chuyển đổi hệ trục ba pha ( u  v  w ) sang hệ trục ( d  q )............. 12
Hình 1.8 Sơ đồ chuyển đổi hệ trục ( d  q ) sang hệ trục ba pha ( u  v  w )............. 12
Hình 1.9 Mô hình simulink của động cơ PMSM ....................................................... 13
Hình 1.10 Sơ đồ mô phỏng động cơ PMSM bằng Matlab – Simulink ....................... 14
Hình 1.11 Đáp ứng tốc độ ......................................................................................... 15
Hình 1.12 Mô men điện từ ........................................................................................ 16
Hình 1.13 Dòng isd , isq .............................................................................................. 17
Hình 1.14 Dòng pha isu , isv , isw .................................................................................... 18
Hình 2.1 Cấu trúc hệ điều khiển vector ..................................................................... 20

Hình 2.2 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng isd ........................................................ 22
Hình 2.3 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ  ....................................................... 23
Hình 2.4 Cấu trúc hệ điều khiển DTC ....................................................................... 24
Hình 2.5 Vector từ thông, điện áp, dòng điện trong các hệ trục tọa độ ...................... 25
Hình 2.6 Các sector trong hệ tọa độ (    ) ............................................................ 29
Hình 2.7 Vector từ thông stator trong sector 1........................................................... 31
Hình 2.8 Sơ đồ vị trí từ thông Stator ......................................................................... 32
Hình 2.9 Khâu hiệu chỉnh Từ thông và Moment ....................................................... 32
Hình 2.10 Xác định tham số k p , ki mạch vòng dòng điện ......................................... 36
Hình 2.11 Xác định tham số k p , ki mạch vòng tốc độ .............................................. 37
Hình 2.12 Đáp ứng tốc độ ......................................................................................... 38
Hình 2.13 Mô men điện từ ........................................................................................ 39

v


Hình 2.14 Dòng isd , isq .............................................................................................. 40
Hình 2.15 Dòng pha isu , isv , isw .................................................................................... 41
Hình 3.1 Sơ đồ bộ điều khiển trượt trong Matlab – Simulink .................................... 51
Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển trượt bằng Matlab – Simulink .................... 52
Hình 3.3 Đáp ứng tốc độ ........................................................................................... 54
Hình 3.4 Mô men điện từ .......................................................................................... 55
Hình 3.5 Dòng isd , isq ................................................................................................ 56
Hình 3.6 Dòng pha isu , isv , isw ...................................................................................... 57
Hình 3.7 Đáp ứng tốc độ luật tiến tới mặt trượt 1 ...................................................... 59
Hình 3.8 Đáp ứng tốc độ luật tiến tới mặt trượt 1 ...................................................... 60

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Bảng tham số mô phỏng động cơ PMSM bằng Matlab – Simulink ............ 14
Bảng 2.1 Bảng thiết lập chuyển mạch ....................................................................... 33
Bảng 2.2 Bảng tham số mô phỏng động cơ PMSM bộ PI dòng điện và tốc độ ......... 37
Bảng 3.1 Bảng tham số mô phỏng động cơ PMSM bộ điều khiển trượt .................... 52

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PMSM

Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cữu

CS

Công Suất

KĐB-RLS

Động Cơ Không Đồng Bộ Roto Lồng sóc

ĐCKĐB

Động Cơ Không Đồng Bộ

ĐCĐB

Động Cơ Đồng Bộ

DTC

Direct Torque Control

PWM

Pulse Width Modulation

SMC

Sliding Mode Control

PI

Proportional Intergral

viii


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM
CHÂM VĨNH CỬU
1.1 Tổng quan về động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)
1.1.1 Khái quát về động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)
Động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu có cấu tạo gồm các cuộn dây 3 pha
phân bố đối xứng và rotor gắn nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường khe hở. Việc loại
bỏ được mạch điện kích từ ở phía rotor đem lại một số ưu điểm cho động cơ PMSM
như giảm tổn hao đồng, mật độ công suất cao hơn, giảm mô men quán tính của động
cơ, cấu tạo rotor bền vững về mặt cơ khí hơn.Hiện nay, giá thành của loại động cơ

PMSM vẫn cao hơn so với loại động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS) ở
cùng dải công suất, nhưng động cơ PMSM thường có hiệu suất cao hơn, nên trong thời
gian lâu dài thì giá thành sử dụng của động cơ PMSM vẫn nhỏ hơn so với động cơ
KĐB-RLS.
Nguyên lý làm việc: PMSM làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của
cuộn stator và từ trường của nam châm vĩnh cửu đặt trên rotor tạo nên. Khi số đôi cực
của từ trường stator và rotor như nhau, vận tốc quay của các từ trường bằng nhau (chế
độ đồng bộ), thì xuất hiện lực kéo điện từ giữa các cực từ của stator và rotor và hình
thành mô men điện từ. Động cơ khởi động dưới tác dụng của mô men không đồng bộ
hình thành do sự tương tác giữa từ trường rotor và dòng điện trong dây quấn stator.
Khi đạt tới vận tốc gần đồng bộ, nhờ tác dụng từ trường quay stator và cực từ nam
châm vĩnh cửu, rotor được kéo vào đồng bộ.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, khởi động không đồng bộ có nhiều ưu điểm hơn
so với động cơ đồng bộ phản kháng và động cơ đồng bộ từ trễ. Do chỉ số năng lượng
(, cos) cao hơn, trọng lượng và kích thước của máy bé hơn khi có cùng công suất,
khả năng quá tải và ổn định tần số quay lớn hơn.
1.1.2 Ứng dụng của động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có cả ưu điểm của cả hai loại động cơ một chiều

1


và động cơ xoay chiều không đồng bộ và còn hơn thế nữa, nó có sự tách biệt giữa
phần cảm và phần ứng nên dễ dàng trong điều chỉnh tốc độ và mô men. Do đó động cơ
PMSM đang được sử dụng rất rộng rãi và ngày càng nhiều hơn trong công nghiệp, đặc
biệt ở dải công suất thấp và trung bình (công suất tới vài trăm HP), trong các truyền
động secvô công suất nhỏ máy công cụ (thí dụ động cơ trục chính, truyền động vị
trí,…) và trong kỹ thuật rôbôt.
1.2 Động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)
Máy điện đồng bộ ba pha kích thích nam châm vĩnh cửu có kết cấu phía stator giống

ĐCKĐB: Đó là hệ thống cuộn dây nhận nguồn cung cấp điện ba pha. Khi đặt điện áp
xoay chiều ba pha lên hệ thống cuộn dây phía stator sẽ tạo ra dòng stator, gây nên điện
áp cảm ứng phía rotor và xuất hiện dòng rotor. Dòng phía stator có tác dụng tạo nên từ
thông stator, rotor và đó chính là nguyên nhân sinh ra mômen quay của máy điện. Điều
kiện để xảy ra cảm ứng và tạo được moment là tồn tại một "sự trượt" nhất định giữa
chuyển động quay của rotor và của vetor từ thông stator, đấy là nguyên tắc hoạt động
của ĐCKĐB còn máy điện đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu có một hệ thống nam
châm vĩnh cửu gắn chặt trên bề mặt. Nghĩa là: Từ thông luôn luôn tồn tại, không còn
nhu cầu trượt tốc độ để cảm ứng từ stator sang rotor nữa và máy điện hoạt động hoàn
toàn đồng bộ.
Mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được minh họa hình 1.1 và hình 1.2
dưới đây.

2


Hình 1.1 Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực lồi

Hình 1.2 Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực ẩn
Sự khác nhau cơ bản giữa ĐCKĐB và ĐCĐB là sự khác nhau trong phương thức sản
sinh ra từ thông rotor. Từ thông rotor của ĐCKĐB được tạo nên bởi dòng kích từ isd,
một thành phần của dòng stator, còn từ thông rotor của ĐCĐB hoặc được tạo nên bởi
một cuộn kích thích biệt lập với các cuộn dây stator, hoặc bởi các phiến nam châm
3


vĩnh cửu bố trí đều đặn trên bề mặt rotor, vì lý do đó dòng điện stator chỉ còn chứa
dòng tạo mômen quay isd và không còn dòng kích từ nữa. ĐCĐB sử dụng cuộn kích
từ biệt lập có cấu trúc cơ học hình 1.1 (còn được gọi là ĐCĐB cực lồi), loại kích thích
bởi nam châm vĩnh cửu hình 1.2 (còn được gọi là ĐCĐB cực ẩn).

Qua mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ta thấy: từ thông rotor luôn phân
cực, có hướng nhất quán và cố định. Tính định hướng nhất quán ấy chỉ phụ thuộc vào
cấu trúc cơ học của máy điện và làm đơn giản đi rất nhiều việc xây dựng mô hình điều
khiển động cơ.
Nếu như ở ĐCKĐB ta phải tìm cách ước lượng biên độ từ thông rotor thì ở ĐCĐB
biên độ đó đã được biết trước.
Nếu như ở ĐCKĐB ta phải tìm cách tính góc pha của từ thông rotor để có thể điều
chỉnh điều khiển tựa theo nó, thì ở ĐCĐB góc pha ban đầu đã được biết trước và do đó
có thể liên tục được theo dõi chính xác bằng máy đo tốc độ quay rotor. Hình 1.1 và
Hình 1.2 cho phép áp dụng ngay một cách thuận lợi các phương pháp điều chỉnh trên
tọa độ d  q mà không cần quan tâm đến tọa độ    nữa. Hệ thống kích thích bởi
cuộn kích và dòng kích tương ứng nào đó, điều đó cho phép ta chỉ cần xét đến loại
ĐCĐB nam châm vĩnh cửu kiểu cực tròn là đầy đủ.
1.2.1 Vector không gian và các đại lượng 3 pha
1.2.1.1 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha
Do cấu tạo động cơ điện gồm ba cuộn dây stator, dòng điện ba pha stator của động cơ
với điểm trung tính cách ly được ký hiệu lần lược là isu , isv , isw , ta có phương trình
dòng điện stator:

isu (t )  isv (t )  isw (t )  0

(1.1)

Với:

isu (t )  is cos( s t )

0
isv (t )  is cos( st  120 )


isw (t )  is cos( st  1200 )


4


Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ đồng bộ có 3 cuộn dây
lệch nhau một góc 120 0 . Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục
thực đi qua trục cuộn dây pha u của động cơ, ta có thể xây dựng vector không gian cho
dòng điện stator:




2
i s (t )  i su (t )  i sv (t )  i sw (t )

3

(1.2)

vector is (t ) là vector có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc

s và tạo với trục thực (trục cuộn dây pha u) một gốc pha  :

Hình 1.3 Vector không gian từ các đại lượng pha
Trong đó vector phức:

2
is (t )  isu (t )  isv (t )e jy  isw (t )e j 2 y 

3
Với  

(1.3)

2
3

Dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòng điện stator is lên trục cuộn
dây tương ứng. Đối với các đại lượng khác của động cơ như điện áp ba pha, từ thông
ba pha phía stator và từ thông rotor đều có thể xây dựng trên vector không gian tương
tự như dòng điện stator.

5


1.2.1.2 Hệ tọa độ cố định stator (    )
Gọi trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục  và trục ảo là trục  . Đặt tên trục
cuộn dây pha u là trục thực  và trục vuông góc với nó là trục ảo  Chiếu vector is
lên hai trục, ta được hình chiếu là is và is . Hệ tọa độ này gọi là hệ tọa độ cố định (hệ
tọa độ stator).

Hình 1.4 Biểu diễn dòng điện stator trên hệ tọa độ (    )
Bằng cách chiếu vector không gian lên hai trục tọa độ (    ) ta có thể tính được
thành phần theo hai trục tọa độ bằng phương pháp hình học. Xét thành phần vector
dòng điện trong hệ trục tọa độ (    ):


i  i
sa

 su

i   1 i 
sa
 sv
2

i   1 i 
sa
 sw
2

3
is
2
3
is
2

(1.4)

6


Suy ra



 is  isu


1

 is  3 isu  2isv 


(1.5)

1.2.1.3 Hệ tọa độ từ thông rotor ( d  q )
Trong mặt phẳng của hệ tọa độ (    ) ta xét thêm một hệ tọa độ thứ hai có trục
hoành d và trục tung q , hệ tọa độ này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc s
so với hệ tọa độ stator. Chuyển đổi các đại lượng điện áp, dòng điện, từ thông giữa hai
tọa độ như sau:

Hình 1.5 Mối liên hệ giữa tọa độ (   ) và tọa độ ( d  q )
Từ hình 1.5 trên ta có thể biểu diễn mối liện hệ giữa tọa độ (    ) và tọa độ ( d  q )
như sau. Gọi F có thể là các đại lượng điện áp, từ thông, dòng điện
Chuyển đổi các đại lượng từ hệ trục tọa độ (    ) sang ( d  q )

 F   cos s
 
 F   sin s
  

 sin s   Fd 
 
cos s   Fq 

(1.6)

7

Chuyển đổi ngược các đại lượng từ hệ trục tọa độ ( d  q ) sang (   )

 Fd   cos s
 
 Fq   sin s
  

sin s   F 
 
cos s   F 

(1.7)

Các hệ phương trình này có tác dụng chuyển từ hệ tọa độ (    ) sang ( d  q ) và
ngược lại cho dòng điện stator và cũng đúng khi áp dụng cho các thành phần khác của
động cơ. Khi xét hệ tọa độ ( d  q ), ta cho trục d trùng với trục từ thông rotor và quay
với tốc độ góc bằng với tốc độ góc của vector từ thông rotor.

Hình 1.6 Biểu diễn các vector trên hệ tọa độ từ thông rotor ( d  q )
Nhận xét:


Trong hệ tọa độ từ thông rotor, các vector dòng stator và các vector từ thông

rotor quay cùng với hệ tọa độ ( d  q ), do đó các phần tử của vector dòng rotor là các
đại lượng một chiều, trong chế độ xác lập các giá trị này gần như không đổi; còn
trong quá trình quá độ, các đại lượng này biến thiên theo một thuật toán đã được định
trước.

8




Một ưu điểm nữa là thành phần từ thông rotor trên trục ( q ) có giá trị là 0 do

vuông góc với từ thông rotor trùng với trục ( d ), do đó từ thông rotor chỉ còn thành
phần theo trục ( d ) và là đại lượng một chiều.
1.2.1.4 Chuyển đổi từ hệ trục ba pha sang hệ trục ( d  q )
Từ hình 1.6 ta có thể chuyển đổi từ hệ trục ba pha(u v w) sang hệ trục tọa độ ( d  q )
và ngược lại. Giả sử tại thời điểm t  0 vị trí khung quay lệch một góc s  st ,
trong đó  s tốc độ quay của khung quay. Do đó ta được mối liên hệ như sau:


 
2
2
 cos(s ) cos(s  ) cos(s  )
  uu 
u d 
2

 
3
3
 

  uv 
 uq 

2

2

3


 
sin(s ) sin(s  ) sin(s  ) uw 
3
3 


(1.8)

Biến đổi ngược:





cos(

)

sin(

)

s

s

uu 

 u 
 
uv   2  cos(s  2 ) sin(s  2 )   d 
 
3
3
3   uq 
u 


 w
cos(  2 ) sin(  2 )
s
s

3
3 
Sự chuyển đổi này cũng đúng khi áp dụng cho thành phần dòng điện.
1.2.2 Xây dựng mô hình động cơ PMSM trong Matlab - Simulink
1.2.2.1 Thông số của động cơ PMSM
- Công suất định mức: Pdm
- Điện áp định mức: U dm
- Số đôi cực: pc
- Điện trở cuộn dây stator: Rs
- Điện cảm stator trục d: Lsd

9

(1.9)


- Điện cảm stator trục q: Lsq
- Tốc độ định mức: n
- Mô men quán tính: J
- Từ thông cực:  p
1.2.2.2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ
Phương trình điện áp stator:

u s  Rs i s 

dψ s
 j s ψ s
dt

(1.10)

Phương trình từ thông stator bao gồm từ thông liên kết phía stator và từ thông liên kết
phía rotor (nam châm):

ψ s  Ls i s  ψ r

(1.11)

Phương trình moment điện từ

mM 

3
pc ψ s i s
2

(1.12)

Phương trình cân bằng momen

mM  mT  J

d
 B
dt

(1.13)

Trong đó mT là momen của tải (motor load); J momen do quán tính (inertia); B hệ
số damping (damping coefficient). Trong phương trình trên  là tốc độ của rotor
(mechanical), còn s là tốc độ điện.   s pc
Chú ý: Các đại lượng phía rotor và stator trong các phương trình trên được viết trên
cùng một hệ trục tọa độ tham chiếu (reference frame). Có hai hệ trục tọa độ tham chiếu
thường được sử dụng để phục vụ việc thiết kế các bộ điều khiển cho PMSM là: Hệ
tham chiếu tựa theo thông rotor ( d  q ) và hệ tham chiếu gắn với stator (    ) như
đã trình bày ở mục 1.2.1

10


1.2.2.3 Mô hình mô tả động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor ( d  q )

Vector từ thông phía stator ψ r gồm hai thành phần rd và rq . Do trục d của hệ tham
chiếu trùng với vector ψ r nên rq  0 , do đó ψ r  rd   p , giá trị này là không
đổi đối với động cơ PMSM.
Từ phương trình (2), từ thông stator theo trục d và q được tính như sau

sd  Lsd isd   p

(1.14)

sq  Lsqisq

(1.15)

Và ψ s  sd  jsq
Thay ψ s cũng như sd và sq vào phương trình (1.10), ta được phương trình điện áp
phía stator

disd
  s Lsqisq
dt
di
u sq  Rsisq  Lsq sq  s Lsd isd   s  p
dt
u sd  Rs isd  Lsd

(1.16)

Phương trình momen điện từ

mM 

3
pc sd isq  sqisd 
2

(1.17)

Thay sd và  sq vào công thức trên vào, ta được phương trình momen điện từ

mM 

3
pc  p isq  isd isq  Lsd  Lsq 
2

(1.18)

Trong phương trình trên, thành phần thứ nhất là momen kích (excitation moment) gây
ra do từ thông của nam châm vĩnh cửu (  p ), trong khi thành phần thứ hai là momen
cưỡng bức.Phương trình động học của động cơ PMSM như sau:

mM  mT 

J d s
 B
pc dt

(1.19)

11

1.2.2.4 Sơ đồ chuyển đổi các hệ trục tọa độ trong MATLAB – SIMULINK
- Sơ đồ chuyển đổi hệ trục ba pha ( u  v  w ) sang hệ trục ( d  q )

Hình 1.7 Sơ đồ chuyển đổi hệ trục ba pha ( u  v  w ) sang hệ trục ( d  q )
- Sơ đồ chuyển đổi hệ trục ( d  q ) sang hệ trục ba pha ( u  v  w )

Hình 1.8 Sơ đồ chuyển đổi hệ trục ( d  q ) sang hệ trục ba pha ( u  v  w )
12


1.2.2.5 Mô hình mô phỏng động cơ PMSM trong MATLAB – SIMULINK

Hình 1.9 Mô hình simulink của động cơ PMSM

13


1.2.2.6 Sơ đồ và kết quả mô phỏng động cơ PMSM bằng Matlab – Simulink

Hình 1.10 Sơ đồ mô phỏng động cơ PMSM bằng Matlab – Simulink

Bảng 1.1 Bảng tham số mô phỏng động cơ PMSM bằng Matlab – Simulink
Tham số động cơ PMSM

Giá trị

Công suất định mức

Pdm  2,5kW

Điện trở cuộn dây Stator

Rs  0,416

Điện cảm dọc trục

Lsd 1,356mH

Điện cảm ngang trục

Lsq  1,356mH

Mô men quán tính

J  3,4 *104 Kg.m 2

Từ thông cực

 p  0,1172Wb

Tốc độ định mức

n  628,31rad / s
Pc  4

Số đôi cực từ

14

Số pha

3

Điện áp định mức

200V

Dòng điện làm việc

8,1A

Dòng điện đỉnh

31,5A

Sau khi động cơ khởi động không tải được 0.5 giây, ta cho động cơ mang tải

mT  3, 2 Nm . Kết quả chạy mô phỏng như sau:

Hình 1.11 Đáp ứng tốc độ

15