Ước lượng các thông số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc sử dụng mạng nơron nhân tạo

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các ấn phẩm
được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được
sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trình bày trong luận
án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày… tháng … năm 2019
Người cam đoan

Phạm Văn Tuấn

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Phạm Hùng Phi

TS. Nguyễn Thanh Sơn

i


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu đề tài, tác giả đã gặp nhiều khó khăn. Một mặt do
trình độ còn hạn chế, một mặt do khó khăn về thiết bị thực nghiệm, song tác giả đã
rất cố gắng và được sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo hướng dẫn, sự giúp đỡ của
các thầy cô trong Bộ môn Thiết bị điện- điện tử; Tự động hóa công nghiệp- Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè, đồng nghiệp, luận án đến
nay đã hoàn thành.
Để có luận án này, tác giả vô cùng biết ơn và bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến
hai thầy giáo hướng dẫn khoa học trực tiếp là TS. Phạm Hùng Phi và TS. Nguyễn
Thanh Sơn luôn dành nhiều công sức, thời gian quan tâm, động viên và tận tình hướng
dẫn nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Thiết bị điện- điện tử, Bộ môn Tự động hóa

công nghiệp, Viện Điện và Phòng Đào tạo/ bộ phận Đào tạo sau đại học - Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện để nghiên cứu sinh có điều kiện thuận
lợi nhất về thời gian và cơ sở vật chất trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn tới Lãnh đạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Vinh và toàn thể thầy cô giáo khoa Điện - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh nơi tác
giả đang công tác đã tạo mọi điều kiện để tác giả thuận lợi về thời gian học tập và
nghiên cứu luận án.
Tác giả trân trọng cảm ơn TS. Nguyễn Thế Công, PGS.TS. Trần Trọng Minh,
TS. Vũ Hoàng Phương, TS. Nguyễn Tùng Lâm đã hỗ trợ trong quá trình nghiên cứu
sinh làm thực nghiệm và đã đóng góp các ý kiến quý báu để nghiên cứu sinh hoàn
thiện luận án.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè đã động viên giúp đỡ về mọi mặt góp phần
vào sự thành công của luận án.
Cuối cùng, tác giả dành lời cảm ơn tới Gia đình đã luôn động viên và hỗ trợ về
vật chất và tinh thần trong những lúc khó khăn, mệt mỏi nhất để tác giả yên tâm trong
quá trình nghiên cứu, góp phần không nhỏ vào thành công của luận án.
Tác giả luận án

Phạm Văn Tuấn

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................ vii
Danh mục các kí hiệu: ............................................................................................ vii
Danh mục các chữ viết tắt: ..................................................................................... ix

Danh mục các bảng biểu: ........................................................................................ xi
Danh mục các hình vẽ, đồ thị: ............................................................................... xii
MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 1
1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 1
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ........................................ 2
a. Tổng quan về ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc . 2
b. Tổng quan về ước lượng điện trở rôto và stato trong truyền động động cơ
không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc không sử dụng cảm biến tốc độ ................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ...................................................... 3
4. Mục tiêu của đề tài luận án ................................................................................. 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 4
6. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 5
7. Các đóng góp mới của luận án ............................................................................ 5
8. Cấu trúc của luận án............................................................................................ 5
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ RÔTO VÀ STATO
CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ................................................... 7
1.1. Mô hình toán của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc ..................... 7
1.1.1. Biến đổi ba pha về hai trục tọa độ của điện áp và dòng điện ....................... 7
1.1.2. Mômen điện từ ............................................................................................. 8
1.1.3. Tốc độ động cơ............................................................................................. 8
1.1.4. Tính toán dòng điện stato ............................................................................. 8
1.1.5. Nguồn cấp ba pha cho động cơ .................................................................... 8
1.2. Tổng quan một số phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato................. 10

iii


1.2.1. Thuật toán thích nghi tham chiếu mô hình (MRAS) để ước lượng điện trở
rôto và stato của động cơ...................................................................................... 11
1.2.2. Bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ 14

1.2.3. Bộ quan sát trượt để ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ ........... 15
1.2.4. Bộ quan sát Luenberger để ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ 15
1.2.5. Ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng lôgic mờ ................................... 16
1.2.6. Mạng nơron nhân tạo để ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ .... 19
1.3. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 21
Chương 2: NGHIÊN CỨU ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ RÔTO VÀ STATO
TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC SỬ DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO22
2.1. Tổng quan về mạng nơron trong nhận dạng các tham số .............................. 22
2.1.1. Định nghĩa và ứng dụng của mạng nơron .................................................. 22
2.1.2. Các thành phần cơ bản của mạng nơron .................................................... 22
2.1.3. Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp ........................................................... 24
2.1.4. Mạng nơron hồi quy ................................................................................... 25
2.1.5. Luật học lan truyền ngược [71] .................................................................. 25
2.1.6. Nguyên tắc sử dụng mạng nơron trong nhận dạng tham số....................... 26
2.2. Ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron nhân tạo ................... 27
2.2.1. Ước lượng điện trở rôto sử dụng mạng nơron nhân tạo............................. 27
2.2.2. Ước lượng điện trở stato sử dụng mạng nơron nhân tạo ........................... 32
2.2.3. Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 35
2.3. Ước lượng điện trở rôto và stato với hàm tốc độ học được xây dựng từ lôgic
mờ ......................................................................................................................... 37
2.3.1. Ước lượng điện trở rôto với hàm tốc độ học được xây dựng từ lôgic mờ . 37
2.3.2. Ước lượng điện trở stato với hàm tốc độ học được xây dựng từ lôgic mờ 39
2.3.3. Các kết quả mô phỏng ................................................................................ 40
2.4. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 42
Chương 3: TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA RÔTO
LỒNG SÓC KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ VỚI ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ
RÔTO VÀ STATO ................................................................................................. 44
3.1. Các phép biến đổi hệ tọa độ ........................................................................... 44

iv

3.1.1. Vector không gian ...................................................................................... 44
3.1.2. Các hệ tọa độ .............................................................................................. 45
3.1.3. Biến đổi tọa độ abc→dq............................................................................. 46
3.1.4. Biến đổi tọa độ αβ→dq .............................................................................. 47
3.1.5. Phép biến đổi hệ tọa độ hệ tọa độ abc→αβ................................................ 48
3.2. Điều khiển tựa từ thông rôto động cơ không đồng bộ ba pha ....................... 49
3.2.1. Phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto ................................................. 49
3.2.2. Phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto trực tiếp .................................. 50
3.2.3. Phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp .................................. 51
3.2.4. Kết luận ...................................................................................................... 52
3.3. Điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp không cảm biến tốc độ (Sensorless
IFOC) với giả thiết là các tham số của động cơ không đổi trong quá trình làm việc
............................................................................................................................... 53
3.3.1. Khái quát chung về điều khiển không cảm biến tốc độ ............................. 53
3.3.2. Một số phương pháp ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ................ 55
3.3.3. Ước lượng tốc độ động cơ sử dụng mạng nơron ([11], [13], [18])............ 55
3.3.4. Mô phỏng hệ truyền động động cơ không đồng bộ điều khiển tựa từ thông
rôto gián tiếp không cảm biến tốc độ sử dụng mạng nơron nhân tạo với các thông
số của động cơ không thay đổi ............................................................................. 56
3.4. Điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp không cảm biến tốc độ (Sensorless
IFOC) với ước lượng điện trở rôto và stato .......................................................... 58
3.5. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 61
Chương 4: THỰC NGHIỆM ................................................................................. 62
4.1. Xây dựng bàn thực nghiệm ............................................................................ 62
4.1.1. Phần mạch động lực ................................................................................... 62
Cài đặt chế độ điều khiển mômen động cơ điện một chiều sử dụng Mentor II ... 65
4.1.2. Phần mạch điều khiển ................................................................................ 68
4.2. Thực nghiệm điều khiển FOC cho động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng

sóc ......................................................................................................................... 76
4.3. Ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron cho truyền động không
cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc............................. 80
4.3.1. Ước lượng điện trở rôto ............................................................................. 80
v


4.3.2. Ước lượng điện trở stato ............................................................................ 81
4.3.3. Ước lượng từ thông của động cơ ............................................................... 82
4.3.4. Tốc độ động cơ........................................................................................... 83
4.4. Kết luận chương 4 .......................................................................................... 85
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 88
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............... 94
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 95
PHỤ LỤC A.......................................................................................................... 95
PHỤ LỤC B: Nhận dạng tham số của động cơ sử dụng biến tần công nghiệp
S120- Siemens ...................................................................................................... 96
PHỤ LỤC C: Một số mô hình mô phỏng ........................................................... 104
PHỤ LỤC D: Các thành phần chủ yếu của DS 1104 và ghép nối với máy chủ. 106
PHỤ LỤC E: Mentor II ...................................................................................... 109

vi


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các kí hiệu:
Kí hiệu

Tên gọi

vsa

Điện áp pha A

vsb

Điện áp pha B

vsc

Điện áp pha C

vsα

Điện áp pha trục α

vsβ

Điện áp pha trục β

vsd

Điện áp pha trục d

vsq

Điện áp pha trục q

isα

Dòng điện pha stato trục α

isβ

Dòng điện pha stato trục β

irα

Dòng điện pha rôto trục α

irβ

Dòng điện pha rôto trục β

isd

Dòng điện pha stato trục d

isq

Dòng điện pha stato trục q

J

Mômen quán tính của rôto

Te

Mômen điện từ của động cơ

TL

Mômen tải của động cơ

p

Số đôi cực của động cơ

Lm

Hỗ cảm giữa rôto và stato

Ls

Điện cảm stato

Lr

Điện cảm rôto

Rs

Điện trở stato

vii


Rs_es

Điện trở stato ước lượng

Rr

Điện trở rôto

Rr_es

Điện trở rôto ước lượng

ωr

Tốc độ của động cơ

ωr_es

Tốc độ ước lượng động cơ

 s

Từ thông stato trục α

 s

Từ thông stato trục β

 rvm

Từ thông stato trục α tính từ mô hình điện áp

 rvm

Từ thông stato trục β tính từ mô hình điện áp

 rim

Từ thông stato trục α tính từ mô hình dòng điện

 rim

Từ thông stato trục β tính từ mô hình dòng điện

  1

L2m
Lr Ls

Hệ số từ thông rò.

viii


Danh mục các chữ viết tắt:
Kí hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

IM

Induction Motor

Động cơ cảm ứng/ động cơ
không đồng bộ

DCM

Direct Current Motor

Động cơ điện một chiều

FOC

Field Oriented Control

Điều khiển tựa từ thông

DFOC

Direct Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thông trực
tiếp

IFOC

Indirect Field Oriented
Control

Điều khiển tựa từ thông gián
tiếp

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

MRAS

Model Reference Adaptive
Systems

Hệ thống thích nghi tham
chiếu mô hình mẫu

SMO

Sliding Mode Observer

Bộ quan sát trượt

LO

Luenberger Observer

Bộ quan sát Luenberger

FL

Fuzzy Logic

Lôgic mờ

ANN

Artificial Neural Network

Mạng nơron nhân tạo

PE

Processing Elements

Đơn vị xử lý

LPF

Low Pass Filter

Bộ lọc thông thấp

DTC

Direct Torque Control

Điều khiển trực tiếp mômen

MPC

Model Predictive Control

Điều khiển dự báo

RF- MRAS

Rotor Flux- Model
Reference Adaptive System

Hệ thống thích nghi tham
chiếu mô hình cho từ thông
rôto

RP- MRAS

Reactive Power- Model
Reference Adaptive System

Hệ thống thích nghi tham
chiếu mô hình cho công suất
phản kháng

ix


EKF

Extended Kalman Filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

LKF

Linear Kalman Filter

Bộ lọc Kalman tuyến tính

x


Danh mục các bảng biểu:
Bảng 1.1 Thông số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc 2 HP ............. 8
Bảng 1.2 Thông số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc 2,2 kWSiemens (1LA 7096-2AA60- Z) ................................................................................. 9
Bảng 2.1 Luật mờ ..................................................................................................... 38
Bảng 4.1 Thông số của động cơ điện một chiều 2 HP/ 1,5 kW- Fuan LiYuan
Electric, LTD. (ZD97B-2) ........................................................................................ 66
Bảng A.1 Bảng các hàm kích hoạt thường được sử dụng trong mạng nơron [78] .. 95

xi


Danh mục các hình vẽ, đồ thị:
Hình 1.1 Mô hình tổng thể của động cơ điện không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc
trong Simulink. ......................................................................................................... 10
Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc MRAS để ước lượng tham số động cơ. ............................. 11
Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc MRAS từ thông để ước lượng điện trở rôto được thực hiện
ở [38]. ....................................................................................................................... 12
Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc MRAS công suất phản kháng để ước lượng điện trở rôto
được thực hiện ở [40], [41]. ...................................................................................... 13
Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc MRAS từ thông để ước lượng điện trở stato được thực hiện
ở [21], [55]. ............................................................................................................... 13

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc của bộ quan sát Luenberger để ước lượng tham số động cơ
[4].............................................................................................................................. 16
Hình 1.7 Mô hình ước lượng điện trở rôto sử dụng lôgic mờ. ................................. 17
Hình 1.8 Sơ đồ khối của bộ ước lượng điện trở rôto sử dụng lôgic mờ [5]. ............ 17
Hình 1.9 Sơ đồ khối của bộ ước lượng điện trở rôto sử dụng lôgic mờ [52]. .......... 18
Hình 1.10 Sơ đồ khối của bộ ước lượng điện trở stato sử dụng lôgic mờ [5]. ......... 18
Hình 1.11 Sơ đồ khối của bộ ước lượng điện trở stato sử dụng lôgic mờ [60]. ....... 19
Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc phương pháp ước lượng điện trở rôto đã thực hiện ở [5],
[17]............................................................................................................................ 20
Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc phương pháp ước lượng điện trở stato đã thực hiện ở [5],
[17]............................................................................................................................ 20
Hình 2.1 Kiến trúc tổng quát của một mạng nơron. ................................................. 22
Hình 2.2 Đơn vị xử lý. .............................................................................................. 23
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp. ........................... 24
Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc của mạng nơron hồi quy 2 lớp. .......................................... 25
Hình 2.5 Mô hình nhận dạng tham số đối tượng. ..................................................... 26
Hình 2.6 Sơ đồ khối của bộ lọc LPF nhiều cấp để ước lượng từ thông stato [5], [72].
.................................................................................................................................. 28
Hình 2.7 Cấu trúc bộ ước lượng điện trở rôto dựa trên MRAS bao gồm mạng nơron
được huấn luyện với thuật toán lan truyền ngược sai số. ......................................... 29
Hình 2.8 Đồ hình mạng nơron dùng để ước lượng từ thông rôto............................. 30
Hình 2.9 Ước lượng dòng điện stato trục α sử dụng mạng nơron hồi quy............... 34
Hình 2.10 Ước lượng dòng điện stato trục β sử dụng mạng nơron hồi quy............. 34
Hình 2.11 Sơ đồ khối của hệ truyền động động cơ không đồng bộ IFOC với ước
lượng điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron/ tốc độ học là hàm số. ................ 35
Hình 2.12 Mô hình ước lượng điện trở rôto với tốc độ học là hàm số. .................... 36
xii


Hình 2.13 Mô hình ước lượng điện trở stato với tốc độ học là hàm số.................... 36

Hình 2.14 Điện trở rôto của động cơ bao gồm: điện trở thực, điện trở ước lượng. . 37
Hình 2.15 Điện trở stato của động cơ bao gồm: điện trở thực, điện trở ước lượng. 37
Hình 2.16 Hàm liên thuộc của biến đầu vào εi. ........................................................ 37
Hình 2.17 Hàm liên thuộc của biến đầu vào ∆ε. ...................................................... 38
Hình 2.18 Hàm liên thuộc của biến đầu ra ∆ηi ......................................................... 38
Hình 2.19 Sơ đồ khối sử dụng lôgic mờ để tính toán tốc độ học. ............................ 38
Hình 2.20 Hàm liên thuộc của biến đầu vào ε4. ....................................................... 39
Hình 2.21 Hàm liên thuộc của biến đầu vào ∆ε4. ..................................................... 39
Hình 2.22 Hàm liên thuộc của biến đầu ra ∆η4......................................................... 40
Hình 2.23 Sơ đồ khối để xác định tốc độ học sử dụng lôgic mờ. ............................ 40
Hình 2.24 Sơ đồ khối của hệ truyền động IFOC với ước lượng điện trở rôto và stato/
tốc độ học được xác định sử dụng lôgic mờ. ............................................................ 41
Hình 2.25 Mô hình ước lượng điện trở rôto với tốc độ học được xây dựng từ lôgic
mờ. ............................................................................................................................ 41
Hình 2.26 Mô hình ước lượng điện trở stato với tốc độ học được xây dựng từ lôgic
mờ. ............................................................................................................................ 42
Hình 2.27 Điện trở rôto của động cơ bao gồm: điện trở thực, điện trở ước lượng. . 42
Hình 2.28 Điện trở stato của động cơ bao gồm: điện trở thực, điện trở ước lượng. 42
Hình 3.1 Minh hoạ cho quá trình xây dựng vector không gian dòng điện stato. ..... 45
Hình 3.2 Các hệ trục tọa độ abc và dq...................................................................... 46
Hình 3.3 Các hệ trục tọa độ dq và αβ. ...................................................................... 48
Hình 3.4 Các hệ trục tọa độ abc và αβ...................................................................... 49
Hình 3.5 Đồ thị phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto [16]. ............................ 49
Hình 3.6 Sơ đồ tổng quát của FOC. ......................................................................... 50
Hình 3.7 Sơ đồ khối của hệ truyền động động cơ không đồng bộ điều khiển vector
tựa từ thông rôto trực tiếp. ........................................................................................ 51
Hình 3.8 Sơ đồ khối của hệ truyền động động cơ không đồng bộ điều khiển tựa từ
thông gián tiếp [16]. ................................................................................................. 52
Hình 3.9 Cấu trúc hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha điều khiển tựa từ
thông rôto gián tiếp (IFOC) sử dụng khâu ước lượng tốc. ....................................... 53

Hình 3.10 Bộ ước lượng tốc độ dựa trên hệ thống thích nghi tham chiếu mô hình
(MRAS) bao gồm mạng nơron được huấn luyện với thuật toán lan truyền ngược sai
số. .............................................................................................................................. 56
Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha IFOC không
cảm biến tốc độ với các thông số của động cơ không thay đổi. ............................... 57
xiii


Hình 3.12 Tốc độ động cơ. ....................................................................................... 57
Hình 3.13 Mômen điện từ......................................................................................... 57
Hình 3.14. Dòng điện stato. ...................................................................................... 58
Hình 3.15 Điện áp dây stato. .................................................................................... 58
Hình 3.16 Sơ đồ khối của bộ truyền động điện động cơ không đồng bộ IFOC không
cảm biến tốc độ với ước lượng điện trở rôto và stato. .............................................. 59
Hình 3.17 (a), (b) Tốc độ khi chưa có ước lượng điện trở rôto và stato: tốc độ đặt và
tốc độ ước lượng ....................................................................................................... 60
Hình 3.18 Tốc độ động cơ khi có ước lượng điện trở rôto và stato. ........................ 60
Hình 4.1 Sơ đồ thực nghiệm hệ thống truyền động không cảm biến tốc độ với ước
lượng điện trở rôto và stato....................................................................................... 62
Hình 4.2 Động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc sử dụng trong thực nghiệm.
.................................................................................................................................. 63
Hình 4.3 Động cơ điện một chiều sử dụng trong thực nghiệm. ............................... 63
Hình 4.4 Van IGBT FUJI loại 6MBP25RA120-05. ................................................. 64
Hình 4.5 Mentor II. ................................................................................................... 65
Hình 4.6 Sơ đồ đấu dây của Mentor II. .................................................................... 66
Hình 4.7 Nguồn kích từ độc lập cấp cho Mentor II.................................................. 67
Hình 4.8 Sơ đồ khối của card DS 1104. ................................................................... 69
Hình 4.9 Dung lượng các bộ nhớ của DS 1104........................................................ 69
Hình 4.10 Cảm biến tốc độ 1XP 8001-1/ 1024- Siemens. ....................................... 71
Hình 4.11 Mô hình thực nghiệm hệ thống truyền động không cảm biến tốc động cơ

không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc với ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng
ANN- Thực hiện tại BM Tự động hóa công nghiệp- Đại học Bách khoa Hà Nội. .. 73
Hình 4.12 Sơ đồ thực nghiệm tổng quát sử dụng Matlab/ Simulink tải xuống DS
1104. ......................................................................................................................... 74
Hình 4.13 Sơ đồ giao diện giám sát các thông số của động cơ sử dụng phần mềm
control Desk.............................................................................................................. 75
Hình 4.14 (a), (b), (c), (d) Dòng điện ia, ib, ic của động cơ....................................... 77
Hình 4.15 (a), (b), (c), (d) Dòng điện trục dq đo lường (isq màu xanh; isd màu đỏ). 78
Hình 4.16 (a), (b), (c), (d) Tốc độ động cơ bao gồm tốc độ đặt (màu đỏ) và tốc độ đo
lường (màu xanh). .................................................................................................... 79
Hình 4.17 (a), (b) Điện trở rôto ước lượng với tốc độ học là hằng số. .................... 80
Hình 4.18 Điện trở rôto ước lượng với tốc độ học là hàm số................................... 81
Hình 4.19 (a), (b) Điện trở stato ước lượng với tốc độ học là hằng số .................... 81
Hình 4.20 (a), (b) Điện trở stato ước lượng với tốc độ học là hàm số. .................... 82
xiv


Hình 4.21 (a), (b) Từ thông rôto trục alpha bao gồm: từ thông theo mô hình mẫu
(màu xanh) và từ thông theo mô hình thích nghi- nơron (màu tím)......................... 82
Hình 4.22 (a), (b) Từ thông rôto trục beta bao gồm: từ thông theo mô hình mẫu
(màu xanh) và từ thông theo mô hình thích nghi- nơron (màu tím)......................... 83
Hình 4.23 (a), (b) Từ thông rôto trục alpha bao gồm: từ thông theo mô hình mẫu
(màu xanh) và từ thông theo mô hình thích nghi- nơron (màu đỏ). ......................... 83
Hình 4.24 (a), (b) Từ thông rôto trục beta bao gồm: từ thông theo mô hình mẫu
(màu xanh) và từ thông theo mô hình thích nghi- nơron (màu đỏ). ......................... 83
Hình 4.25 (a), (b) Tốc độ động cơ bao gồm: tốc độ đặt (màu đỏ) và tốc độ thực
(màu xanh nhạt). ....................................................................................................... 84
Hình 4.26 (a), (b) Tốc độ động cơ bao gồm: tốc độ đặt (màu đỏ) và tốc độ ước
lượng (màu xanh). .................................................................................................... 84
Hình 4.27 (a), (b) Tốc độ động cơ bao gồm: tốc độ đặt (màu đỏ) và tốc độ thực

(màu tím). ................................................................................................................. 84
Hình 4.28 (a), (b) Tốc độ động cơ bao gồm: tốc độ đặt (màu đỏ) và tốc độ ước
lượng (màu xanh). .................................................................................................... 85
Hình B.1 Sơ đồ đấu nối bàn thí nghiệm SINAMICS S120. ..................................... 97
Hình B.2 Trình tự vận hành bàn thí nghiệm. ............................................................ 98
Hình B.3 Cấu hình để bắt đầu quá trình nhận dạng tham số động cơ. ................... 100
Hình B.4 Cấu trúc điều khiển vòng kín động cơ không đồng bộ ........................... 100
Hình B.5 Các thông số của động cơ không đồng bộ. ............................................. 101
Hình B.6 Cài đặt ưu tiên quyền điều khiển cho máy tính. ..................................... 102
Hình B.7 Chế độ nhận dạng động cơ không đồng bộ ba pha ................................. 103
Hình B.8 Nhận dạng các tham số của động cơ không đồng bộ ba pha.. ................ 103
Hình C.1 Mô hình ước lượng từ thông theo mô hình tham chiếu. ......................... 104
Hình C.2 Mô hình ước lượng từ thông theo mô hình thích nghi............................ 104
Hình C.3 Mô hình ước lượng tốc độ động cơ sử dụng mạng nơron nhân tạo........ 105
Hình C.4 Mô hình ước lượng dòng điện stato dụng mạng nơron. ......................... 105
Hình D.1 Vi điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F240. ........................................ 107
Hình E.1 Nguồn cấp cho kích từ. ........................................................................... 110
Hình E.2 Sơ đồ mắc một cầu 3 pha dùng công tắc chuyển đổi để đảo chiều........ 111
Hình E.3 Sơ đồ mắc hai cầu 3 pha song song ngược. ............................................ 112
Hình E.4 Hãm động năng. ...................................................................................... 112
Hình E.5 Sơ đồ nối dây 4 góc phần tư của Mentor II. ........................................... 113
Hình E.6 Bảng điều khiển của Mentor II. .............................................................. 114

xv


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Động cơ điện không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất.
Ưu điểm của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản, so với động cơ điện một chiều

động cơ điện không đồng bộ không có chổi than nên vận hành tin cậy, chi phí bảo
dưỡng thấp [1]. Ngoài ra động cơ không đồng bộ ba pha có thể dùng trực tiếp lưới
điện xoay chiều ba pha nên thuận lợi trong thực tế [1], [2], [3], [4].
Trước đây nhược điểm của động cơ không đồng bộ ba pha là điều chỉnh tốc độ và
khống chế các quá trình quá độ là rất khó khăn; riêng với động cơ điện không đồng
bộ ba pha rôto lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn so với động cơ một chiều
và động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn [2]. Trong vài thập niên trở lại đây
với sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực điện tử công suất và vi điều khiển đã cải
thiện đáng kể chất lượng làm việc của các hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba
pha rôto lồng sóc [5], [6].
Trong thực tế, phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp (IFOC) động cơ
không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc rất phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các
ứng dụng công nghiệp [7], [8] do đáp ứng động học nhanh bằng cách tách kênh, điều
khiển mômen và điều khiển từ thông riêng biệt làm cho điều khiển động cơ không
đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều [8]. Trong IFOC, tính toán tốc
độ trượt yêu cầu giá trị điện trở rôto, nhưng điện trở rôto có thể biến thiên do sự thay
đổi nhiệt độ, tần số dòng điện rôto trong quá trình làm việc của hệ truyền động. Vì
vậy, việc ước lượng điện trở rôto của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc là
rất cần thiết nhằm nâng cao chất lượng làm việc của hệ truyền động động cơ không
đồng bộ ba pha rôto lồng sóc điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp.
Mặt khác, thông tin tốc độ động cơ là cần thiết cho cho phương pháp điều khiển
IFOC. Tốc độ của động cơ có thể được đo bằng cảm biến hoặc có thể được ước lượng
bằng các phương trình trạng thái (điện áp, dòng điện,…) và các thông số của động cơ
(điện trở rôto, điện trở stato, hỗ cảm…). Việc sử dụng cảm biến tốc độ (các bộ cảm
biến tốc độ như bộ mã hóa xung/ pulse encoder, hay máy phát tốc/ tachchometer [4],
[9], [10], [11] ) làm giảm độ bền cơ học và độ tin cậy của hệ truyền động, đặc biệt là
trong môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, nhiều bụi,…). Hơn nữa do có cảm biến
tốc độ nên làm tăng kích thước, chi phí đầu tư và chi phí bảo dưỡng cho hệ truyền
động, đặc biệt là các hệ truyền động công suất nhỏ. Ngoài ra ở vùng tốc độ thấp sử
dụng cảm biến tốc độ thường có sai số lớn [5], [9], [12], [13]. Do vậy hệ truyền động

động cơ không đồng bộ ba pha không cảm biến tốc độ ngày càng được quan tâm và
ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn công nghiệp.
Nhiều công trình nghiên trên thế giới đã đề cập đến việc ước lượng tốc độ của động
cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc với nhiều phương pháp ước lượng khác nhau.
Tuy nhiên quá trình ước lượng tốc độ động cơ đòi hỏi phải biết trước các thông số
1


của động cơ như điện trở rôto, điện trở stato [5], [9], [14], [15]. Do đó ước lượng điện
trở rôto và stato theo thời gian thực có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực truyền động
không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc.
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
a. Tổng quan về ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc
Trong những năm gần đây, một số phương pháp ước lượng tốc độ động cơ không
đồng bộ ba pha rôto lồng sóc đã được đề xuất và thực hiện như:
 Ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng phương trình trạng thái của
động cơ không đồng bộ [5], [16], [17], [18].
 Ước lượng tốc độ sử dụng thuật toán thích nghi tham chiếu mô hình (MRAS)
và bộ điều chỉnh PI [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25].
 Ước lượng tốc độ sử dụng bộ quan sát trượt (SMO) [9], [19], [24], [26].
 Ước lượng tốc độ sử dụng bộ quan sát Luenberger (LO) [4], [18], [27].
 Ước lượng tốc độ sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) [18], [28], [29].
 Ước lượng tốc độ sử dụng lôgic mờ (FL) [19], [24], [30], [31], [32].
 Ước lượng tốc động cơ sử dụng mạng nơron nhân tạo (ANN) [11], [13],[18],
[19], [33], [34].
Các phương pháp ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha phụ thuộc vào
giá trị điện trở rôto và stato. Ngoài ra phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto gián
tiếp, tính toán góc từ thông rôto phụ thuộc vào giá trị điện trở rôto [6], [16], [35].
Mặt khác điện trở rôto có thể biến thiên tới 100% do sự thay đổi nhiệt độ, tần số
rôto và lấy lại các thông tin này với một mô hình nhiệt hoặc một cảm biến nhiệt độ là

rất khó khăn, phức tạp bởi các cảm biến nhiệt độ phải được gắn vào các vị trí khác
nhau của rôto, điều đó có thể không thực hiện được trong tất cả các ứng dụng [5],
[14], [17], [36], [37]. Điện trở stato cũng có thể thay đổi 50% trong quá trình làm việc
của động cơ [5], [17], [37] do sự thay đổi nhiệt độ.
Do đó việc ước lượng chính xác điện trở rôto và stato trong quá trình làm việc của
hệ truyền động sẽ nâng cao độ chính xác của ước lượng tốc độ đồng thời cải thiện,
nâng cao chất lượng làm việc của hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha rôto
lồng sóc không cảm biến tốc độ điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp (SensorlessIFOC).
b. Tổng quan về ước lượng điện trở rôto và stato trong truyền động động cơ
không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc không sử dụng cảm biến tốc độ
Trên thế giới hiện nay có nhiều phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato:
Các phương pháp ước lượng điện trở rôto bao gồm: thuật toán thích nghi tham chiếu
mô hình MRAS của từ thông hoặc công suất phản kháng đã được thực hiện ở [38],
2


[39], [40], [41]; bộ lọc Kalman mở rộng [42], [43], [44], [45]; Bộ quan sát trượt [46],
[47], [48]; bộ quan sát Luenberger [49]; lôgic mờ [50], [51], [52], [53]; mạng nơron
nhân tạo [5], [17], [54].
 Phương pháp ước lượng điện trở stato đã được thực hiện ở [21], [55] sử dụng
MRAS; bộ lọc Kalman mở rộng [56], [57]; Bộ quan sát trượt [47], [58]; bộ
quan sát Luenberger [4], [59]; lôgic mờ [60], [61], [62], [63], [64]; mạng nơron
nhân tạo [5], [17], [65], [66].
Tuy đã có nhiều kết quả được công bố, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần được quan
tâm nghiên cứu và giải quyết để nâng cao hơn nữa chất lượng của việc ước lượng
điện trở rôto và stato của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc. Cụ thể như
vấn đề ước lượng online đồng thời cả điện trở rôto và stato cho hệ truyền động không
cảm biến tốc độ; bởi vì sẽ xảy ra vòng lặp đại số khi ước lượng đồng thời tốc độ, điện
trở rôto và điện trở stato, dẫn đến việc ước lượng tốc độ và các điện trở sẽ không thực
hiện được.

Chính vì vậy, những nghiên cứu về ước lượng online đồng thời cả điện trở rôto và
stato cho động cơ không đồng bộ ba pha ứng dụng trong truyền động động cơ không
đồng bộ ba pha không cảm biến tốc độ vẫn luôn cấp thiết và thu hút được sự quan
tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước, đặc biệt là các phương pháp ước lượng
điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron nhân tạo.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu về động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc
với các thông số thay đổi trong quá trình làm việc.
Phạm vi nghiên cứu: trong luận án này tác giả chỉ nghiên cứu ước lượng điện trở
rôto và stato của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc. Bởi vì điện trở rôto
và stato có thể thay đổi rất lớn trong quá trình làm việc của động cơ, và lấy được
thông tin các giá trị của điện trở là rất khó khăn, đặc biệt là đối với động cơ không
đồng bộ ba pha rôto lồng sóc. Mặt khác việc ước lượng chính xác điện trở rôto và
stato sẽ nâng cao nâng cao chất lượng làm việc của hệ truyền động không cảm biến
tốc độ động cơ không đồng bộ.
4. Mục tiêu của đề tài luận án
Ở [5], [17] đã đề xuất phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato cho động cơ
không đồng bộ ba pha sử dụng mạng nơron nhân tạo. Các phương pháp ước lượng
điện trở rôto và stato được thực hiện ở [5], [17] vẫn bị giới hạn là các giá trị tốc độ
học của mạng nơron được lựa chọn trước và không thay đổi trong quá trình ước lượng
các điện trở. Do vậy, nếu lựa chọn tốc độ học không phù hợp sẽ dẫn đến quá trình
huấn luyện mạng nơron chậm và sai số đầu ra của mạng lớn. Việc lựa chọn tốc độ
học phù hợp chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người nghiên cứu.

3


Trong nghiên cứu này, tác giả sẽ đề xuất phương pháp mới để ước lượng online
đồng thời cả điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron nhân tạo với tốc độ học thay
đổi (tốc độ học thay đổi trong quá trình ước lượng các điện trở). Các thông số điện

trở rôto và stato của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc được nhận dạng sẽ
được ứng dụng cho các thuật toán điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp không cảm
biến tốc độ nhằm nâng cao độ chính xác cho ước lượng tốc độ, nâng cao chất lượng
làm việc của hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc điều khiển
tựa từ thông rôto gián tiếp.
Các mục tiêu nghiên cứu sau đây sẽ được thực hiện trong luận án:
 Các phương pháp ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.
 Hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha không cảm biến tốc độ tựa từ
thông rôto, các ưu và nhược điểm của hệ truyền động này; các tham số ảnh
hưởng đến quá trình ước lượng tốc độ.
 Các phương pháp ước lượng điện trở rôto động cơ không đồng bộ ba pha rôto
lồng sóc, đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp.
 Các phương pháp ước lượng điện trở stato động cơ không đồng bộ ba pha rôto
lồng sóc, đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp.
 Sử dụng mạng nơron nhân tạo để ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato
trong quá trình làm việc của hệ truyền động động cơ không đồng bộ.
 Sau khi các điện trở rôto và stato đã được nhận dạng sẽ được đưa vào hệ truyền
động không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha điều khiển tựa từ
thông rôto gián tiếp, để đánh giá chất lượng của hệ truyền động trong hai trường
hợp: khi có các bộ ước lượng điện trở tác động và khi không có các bộ ước
lượng điện trở tác động vào hệ truyền động không cảm biến tốc độ. Các thuật
toán này được thực hiện trên card DS 1104. Mục đích của nội dung nghiên cứu
này là để kiểm chứng phương pháp ước lượng đồng thời cả điện trở rôto và stato
trong quá trình làm việc sử dụng mạng nơron nhân tạo được tác giả đề xuất
trong luận án; ngoài ra để đánh giá, kiểm chứng ý nghĩa của việc ước lượng điện
trở rôto và stato cho hệ truyền động không cảm biến tốc độ với phương pháp
điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp- phương pháp điều khiển cơ bản, được sử
dụng rộng rãi trong các biến tần hiện nay.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Ứng dụng được lý thuyết trí tuệ nhân tạo trong nhận dạng tham số và điều khiển

không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.
 Xây dựng được phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ không
đồng bộ ba pha sử dụng mạng nơron với tốc độ học thay đổi.

4


 Nâng cao chất lượng làm việc của các hệ truyền động động cơ không đồng bộ
ba pha rôto lồng sóc không cảm biến tốc độ khi có ước lượng điện trở rôto và
stato.
6. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu sẽ được vận dụng trong luận án này bao gồm:
 Sử dụng lý thuyết điều khiển và mạng nơron nhân tạo để nhận dạng điện trở
rôto và stato cho hệ thống điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ không
đồng bộ ba pha rôto lồng sóc.
 Sử dụng phần mềm mô phỏng trên máy tính (phần mềm Matlab/ Simulink) để
kiểm chứng các nghiên cứu về lý thuyết.
 Thực nghiệm kiểm tra, khẳng định các kết quả nghiên cứu lý thuyết được cài
đặt trên bộ vi điều khiển DS 1104.
7. Các đóng góp mới của luận án
 Đề xuất phương pháp ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato trong quá trình
làm việc của hệ truyền động động cơ không đồng bộ sử dụng mạng nơron nhân
tạo với tốc độ học thay đổi (khác với [5], [17]- tốc độ học là hằng số). Ở đây
tác giả đã đưa ra được hai thuật toán mới để ước lượng điện trở rôto và stato,
bao gồm:
- Sử dụng mạng nơron với tốc độ học là một hàm số để ước lượng đồng thời
điện trở rôto và stato;
-

Sử dụng mạng nơron với tốc độ học được xây dựng từ lôgic mờ để ước

lượng đồng thời điện trở rôto và stato.

 Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng phương pháp ước lượng đồng thời điện trở
rôto và stato sử dụng mạng nơron nhân tạo với tốc độ học là hàm số trên nền vi
điều khiển DS 1104.
 Sử dụng các thuật toán ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato được đề xuất,
sẽ nâng cao chất lượng làm việc của hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba
pha rôto lồng sóc không cảm biến tốc độ.
8. Cấu trúc của luận án
Luận án được trình bày theo các chương sau đây:
Mở đầu
Trình bày mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng, phạm vi, nội dung nghiên cứu, tính cấp
thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Chương 1: Tổng quan về ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ không
đồng bộ ba pha

5


Trình bày về mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha (mô hình toán của động
cơ). Mô hình toán của động cơ được sử dụng trong các mô phỏng các hệ truyền động
động cơ không đồng bộ ba pha, hệ truyền động không cảm biến tốc độ động cơ không
đồng bộ ba pha điều khiển tựa từ thông, trong ước lượng các điện trở rôto và stato.
Phần còn lại của chương trình bày tổng quan về một số phương pháp ước lượng điện
trở rôto và stato động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc.
Chương 2: Nghiên cứu ước lượng điện trở rôto và stato trong quá trình làm việc
sử dụng mạng nơron nhân tạo
Trình bày tổng quan về mạng nơron nhân tạo. Tiếp đó là việc sử dụng mạng nơron
để ước lượng điện trở rôto và stato với tốc độ học là hằng số. Phần lớn nội dung còn
lại tác giả tập trung nghiên cứu về ước lượng điện trở rôto và stato trong quá trình

làm việc của hệ truyền động sử dụng mạng nơron với tốc độ học thay đổi. Đây là
phần đóng góp mới của Luận án. Tốc độ học thay đổi có thể được xác định bằng một
hàm toán hoặc từ mô hình mờ sao cho mạng nơron có tốc độ hội tụ nhanh, điện trở
rôto và stato được ước lượng chính xác.
Chương 3: Truyền động động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc không cảm
biến tốc độ với ước lượng điện trở rôto và stato
Chương này tập trung nghiên cứu và đánh giá đáp ứng đầu ra của hệ truyền động
không cảm biến tốc độ điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp ở hai trường hợp: khi có
bộ ước lượng điện trở rôto và stato với khi không có các bộ ước lượng điện trở rôto
và stato tác động. Từ đó sẽ thấy được ước lượng điện trở rôto và stato được đề xuất
ở chương 2 góp phần nâng cao chất lượng của hệ truyền động động cơ không đồng
bộ ba pha rôto lồng sóc không cảm biến tốc độ.
Chương 4: Thực nghiệm
Chương này trình bày cách thức xây dựng bàn thí nghiệm, cài đặt các thuật toán điều
khiển tựa từ thông rôto, điều khiển không cảm biến tốc độ, ước lượng điện trở rôto
và stato đã được đề xuất ở chương 2. Thực hiện thí nghiệm và lấy kết quả.
Kết luận và kiến nghị
Nêu các kết quả đóng góp chính của luận án và hướng phát triển tiếp theo của đề tài.

6


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ RÔTO VÀ
STATO CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Chương này sẽ trình bày mô hình toán của động cơ không đồng bộ ba pha rôto
lồng sóc. Phần còn lại của chương sẽ trình bày tổng quan về một số phương pháp ước
lượng điện trở rôto và stato động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc. Từ đó đưa
ra nhận xét và hướng phát triển của phương pháp nhận dạng điện trở rôto và stato
động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc.
1.1. Mô hình toán của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

Mô hình động lực học tổng quát của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc
gồm các phương trình tính toán như sau ([11], [67]):
 Phương trình biến đổi ba pha về hai trục tọa độ của điện áp và dòng điện.
 Phương trình tính mômen điện từ.
 Phương trình tính tốc độ rôto động cơ.
 Phương trình tính dòng điện stato.
1.1.1. Biến đổi ba pha về hai trục tọa độ của điện áp và dòng điện
Quá trình chuyển đổi điện áp nguồn cấp ba pha sang điện áp ở hệ tọa độ gắn với
stato- hệ tọa độ tĩnh (αβ) được thực hiện bằng phương trình ma trận (1.1) dưới đây
(gọi là biến đổi Clark thuận):
2
4  v 

cos
0
cos(
)
cos(
) sa

vs  2
3
3  
 vsb 
v   
2

4

3

s

 sin 0 sin(
 
) sin(
)  v 
3
3   sc 


(1.1)

Ở đây vsa, vsb, và vsc là điện áp 3 pha stato, trong khi đó vsα và vsβ là các thành
phần của vector điện áp stato vs trong hệ trục tọa độ tĩnh αβ.
Ở hệ quy chiếu hai trục αβ phương trình dòng điện có dạng như sau [67]:
  Ls
is 

 
is    0
ir     Lm

 
 0
ir  


1

 vs   Rs

0 Lm 0 
0
0
  

Ls 0 Lm 
0
Rs
0
 vs
   
v   0
0 Lr 0 
p Lm
Rr
  r  

 vr     pr Lm 0  pr Lr
Lm 0 Lr 
 

 is   
 i   
0
  s    dt
pr Lr  ir   
 
Rr  ir    

0

(1.2)

Trong đó Rs, Rr lần lượt là điện trở stato và rôto. Ls, Lr và Lm lần lượt là điện cảm
stato, rôto và hỗ cảm, p là số đôi cực và ωr là tốc độ của rôto. Trong mô hình điện,
điện áp ba pha [vsa, vsb, vsc] là đầu vào và dòng điện [isα, isβ, irα, irβ] là đầu ra. điện áp
rôto thông thường bằng không do rôto có dạng lồng sóc, có nghĩa là vrα= vrβ=0.

7


1.1.2. Mômen điện từ
Mômen điện từ có thể được tính toán sử dụng vector từ thông rôto và vector dòng
điện stato [67], [68]. Mômen điện từ có thể được tính như sau:
Te 




3 Lm
p
 r  is
2 Lr



3 pLm
 r is  r is 
2 Lr

(1.3)

1.1.3. Tốc độ động cơ
Phương trình cân bằng mômen:

J

dr
 f d r  Te  TL
dt

(1.4)

Ở đây J là mômen quán tính của rôto; fd là hệ số ma sát nhớt (viscous friction) và
TL là mômen tải.
Từ phương trình cân bằng mômen (1.4) và bỏ qua ma sát nhớt, tốc độ rôto được
tính như sau:

r  

Te  TL
dt
J

(1.5)

1.1.4. Tính toán dòng điện stato
Mô hình dòng điện stato được sử dụng để tính biên độ dòng điện stato theo phương
trình sau:

is 

2 2 2
is  is
3

(1.6)

1.1.5. Nguồn cấp ba pha cho động cơ
Nguồn cấp cho động cơ là nguồn ba pha hình sin như sau:
vsa  Vm sin(  t   0 )
vsb  Vm sin(  t  1200   0 )

(1.7)

vsc  Vm sin(  t  1200   0 )

Trong đó Vm là biên độ điện áp nguồn cấp, ω là tần số của nguồn cấp và θ0 là góc
pha ban đầu.
Số liệu các động cơ không đồng bộ ba pha cần thực hiện mô phỏng mô hình hóa
động cơ trong luận án được cho ở Bảng 1.1 và Bảng 1.2 như sau:
Bảng 1.1 Thông số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc 2 HP

8


TT

Giá trị

Thông số

1

Công suất định mức

2 HP

2

Điện áp định mức

380 V

3

Tần số định mức

50 Hz

4

Điện trở stato

10 Ω

5

Điện trở rôto

6,3 Ω

6

Điện cảm stato

0,46 H

7

Điện cảm rôto

0,46 H

8

Hỗ cảm

0,42 H

9

Mômen quán tính

0,03 kgm2

10

Số đôi cực

2

11

Tốc độ định mức

1490 vòng/ phút

Với các thông số động cơ ở Bảng 1.1 ta xác định được mômen định mức ở đầu
trục động cơ như sau:
Tm 

Pdm

dm



2*736
*9,55  9,43 Nm
1490

(1.8)

Bảng 1.2 Thông số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc 2,2
kW- Siemens (1LA 7096-2AA60- Z)
TT

Giá trị

Thông số

1

Công suất định mức

2,2 kW

2

Điện áp định mức

400 V

3

Tần số định mức

50 Hz

4

Điện trở stato

1,99 Ω

5

Điện trở rôto

1,84 Ω

6

Hỗ cảm

0,37 H

7

Điện cảm stato

0,371 H

8

Điện cảm rôto

0,371 H

9

Số đôi cực

1

10

Tốc độ định mức

2880 vòng/phút

11

Mômen quán tính

0,002159 kgm2

9


Mômen định mức ở đầu trục động cơ (với động cơ cho ở Bảng 1.2) là:
Tm 

Pdm

dm



2200
*9,55  7,3 Nm
2880

(1.9)

Mô hình tổng thể động cơ điện không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc trên Matlab/
Simulink được chỉ ra ở Hình 1.1.

Hình 1.1 Mô hình tổng thể của động cơ điện không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc trong

Simulink.
Nhận xét: Việc xây dựng mô hình toán của động cơ được thực hiện với mục đích:
sử dụng để mô phỏng kiểm chứng cho các hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba
pha. Việc mô hình hóa và mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha sẽ cho các kết
quả về điện áp, dòng điện, tốc độ và mômen điện từ thực của động cơ. Các giá trị này
là các giá trị tham chiếu trong mô hình mô phỏng các thuật toán điều khiển động cơ
không đồng bộ ba pha. Ngoài ra việc mô hình hóa này giúp người nghiên cứu dễ dàng
trong việc đánh giá chất lượng của hệ truyền động động cơ không đồng bộ khi các
tham số (điện trở rôto, điện trở stato, hỗ cảm, …) của động cơ thay đổi.
1.2. Tổng quan một số phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato
Trên thế giới hiện nay có nhiều phương pháp ước lượng điện trở rôto: thuật toán
thích nghi tham chiếu mô hình MRAS của từ thông hoặc công suất phản kháng đã
được thực hiện ở [38], [39], [40], [41]; bộ lọc Kalman mở rộng [42], [43], [44], [45];
bộ quan sát trượt [46], [47], [48]; lôgic mờ [50], [51], [52], [53]; mạng nơron nhân
tạo [5], [17], [54].
Phương pháp ước lượng điện trở stato đã được thực hiện ở [21], [55] sử dụng
MRAS; bộ lọc Kalman mở rộng [56], [57]; bộ quan sát trượt [47], [58]; bộ quan sát
Luenberger [4], [59]; bộ lôgic mờ [60], [61], [62], [63], [64]; mạng nơron nhân tạo
[5], [17], [65], [66].

10