Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor​

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

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

PHẠM THANH TIẾN

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG TỪ
THÔNG ROTOR TRỰC TIẾP DÙNG MÔ HÌNH
ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ROTOR

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


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

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

PHẠM THANH TIẾN

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG TỪ
THÔNG ROTOR TRỰC TIẾP DÙNG MÔ HÌNH
ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ROTOR
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


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

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên

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

Ủy viên, Thư ký

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


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày __ tháng __ năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phạm Thanh Tiến

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

I- Tên đề tài:
Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông
rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến điều khiển động cơ không đồng bộ;
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ;
- Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định
hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor;
- Nghiên cứu và mô hình kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương
pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor;
- Nghiên cứu và mô phỏng kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương
pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và
kết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ
nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Phạm Thanh Tiến


LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề
tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức
quý báu của chuyên ngành Kỹ thuật điện mà là một nền tảng vững chắc cho tôi
hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 đã động viên và giúp đỡ
tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Viện Khoa
học Kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học và cơ quan nơi tôi đang công tác đã tạo mọi
điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp
này.

Phạm Thanh Tiến


i

Tóm tắt
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi điều
khiển, các hệ thống truyền động điện đã đạt được những bước tiến nhảy vọt.
Các đáp ứng điều khiển đạt được độ chính xác cao, cả trong chế độ động và
tĩnh. Trong các hệ thống truyền động điện, động cơ không đồng bộ được sử
dụng phổ biến với các nguyên lý điều khiển định hướng từ thông rotor mà cũng
đang được áp dụng rộng rãi. Đặc biệt là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc,
có giá thành thấp, hiệu suất cao, ít bảo trì. Trong tương lai, động cơ này có thể

sẽ dần thay thế động cơ một chiều trong các ứng dụng cần thay đổi vận tốc của
truyền động.
Chính vì lý do này, luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan
đến, "Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ
thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor" mà bao gồm
các nội dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
- Chương 3: Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định
hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor
- Chương 4: Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương
pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ
rotor
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


ii

Abstract
With the rapid development of semi-conductor and microcontroller
technologies, electric drive systems have made great strides. Control responses
achieve high accuracy, both in dynamic and static states. In electric drive
systems, induction motors are commonly used with rotor field-oriented control
principles. Especially, the induction motors with the squirrel cage rotor have
low cost, high performance, less maintenance. In the future, this engine may
gradually replace the DC motor in applications that need to change the speed of
the drive.
For this reason, the thesis does research on issues related to, "Induction
motor control using direct rotor field-oriented controllers and a rotor
speed estimation model" which includes the following content:

- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Theory to induction machines
- Chapter 3: Induction motor control using a direct rotor field-oriented
controller and a rotor speed estimation model
- Chapter 4: Simulations
- Chapter 5: Conclusions and future works


iii

MỤC LỤC
Tóm tắt ....................................................................................................... i
Mục lục..................................................................................................... iii
Danh sách hình vẽ ......................................................................................vi

Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................1
1.2. Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của luận văn ...................................1
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn ...................................2
1.4. Tổng quan các nghiên cứu liên quan ...................................................2
1.5. Bố cục dự kiến của luận văn ................................................................3
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ ..............................5
2.1. Giới thiệu động cơ không đồng bộ .......................................................5
2.2. Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ .........................5
2.2.1. Phương pháp điều khiển V/f (điều khiển vô hướng) .........................5
2.2.2. Phương pháp định hướng từ trường FOC .........................................6
2.2.3. Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC ...............................6
2.3. Mô hình động của động cơ không đồng bộ lý tưởng ............................7
2.3.1. Phương trình toán học mô tả động cơ không đồng bộ lý tưởng .........7
2.3.2. Phương trình vector không gian trong hệ tọa độ stator ......................9

2.4. Phương pháp ước lượng từ thông rotor .............................................. 13
2.4.1. Phương pháp ước lượng từ thông rotor trong điều khiển trực tiếp ... 13
2.4.2. Phương pháp ước lượng từ thông rotor trong điều khiển gián tiếp .. 18
2.5. Phương pháp ước lượng tốc độ rotor ................................................. 19
Chương 3 - Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định
hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor 21
3.1. Giới thiệu .......................................................................................... 21
3.2. Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ


iv

thông rotor gián tiếp ................................................................................. 22
3.3. Bộ nghịch lưu .................................................................................... 25
3.3.1. Bộ nghịch lưu áp 3 pha ................................................................... 26
3.3.2. Phương pháp điều khiển PWM dòng điện ...................................... 31
Chương 4 - Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương
pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc
độ rotor ................................................................................................... 34
4.1. Giới thiệu .......................................................................................... 34
4.2. Các thông số mô phỏng ..................................................................... 34
4.3. Mô phỏng kỹ thuật điều khiển RFOC ................................................ 35
4.3.1. Mô hình và mô phỏng bộ nghịch lưu .............................................. 35
4.3.2. Mô hình và mô phỏng khối PID với hai khâu setpoint-weighting và
anti-windup .............................................................................................. 36
4.3.3. Mô hình và mô phỏng động cơ lý tưởng trong Simulink/Matlab ..... 38
4.4. Mô phỏng ĐCKĐB ........................................................................... 40
4.4.1. Thông số của ĐCKĐB ................................................................... 40
4.4.2. Động cơ hoạt động không tải TL = 0 ............................................... 41
4.4.3. Động cơ hoạt động với tải TL = 4,1 N.m ......................................... 42

4.5. Mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp định hướng từ thông
rotor gián tiếp .......................................................................................... 44
4.5.1. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ............. 46
4.5.2. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ............ 49
4.5.3. Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ............ 51
4.5.4. Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi
đổi chiều .................................................................................................. 54
4.6. Mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp định hướng từ thông
rotor trực tiếp ........................................................................................... 56
4.6.1. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ............. 59
4.6.2. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ............ 61
4.6.3. Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ............ 64


v

4.6.4. Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi
đổi chiều .................................................................................................. 66
4.7. Mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp định hướng từ thông
rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor ................................. 69
4.7.1. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ............. 70
4.7.2. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ............ 72
4.7.3. Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ............ 75
4.7.4. Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi
đổi chiều .................................................................................................. 77
4.8. Kết luận ............................................................................................ 80

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 82
5.1. Kết luận ............................................................................................. 82
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................. 82

Tài liệu tham khảo ................................................................................. 83


vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Mô hình cấu trúc động cơ không đồng bộ ...................................8
Hình 2.2. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp và từ thông khe
hở không khí ............................................................................................ 14
Hình 2.3. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ áp và dòng hồi tiếp .......... 15
Hình 2.4. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp vân tốc quay
của rotor ................................................................................................... 17
Hình 2.5. Nguyên lý điều khiển RFOC gián tiếp ...................................... 18
Hình 2.6. Mô hình ước lượng từ thông rotor trong điều khiển gián tiếp ..... 18
Hình 2.7. Mô hình ước lượng tốc độ ........................................................ 20
Hình 3.1. Vector không gian trong hệ tọa độ quay gắn với vector từ thông 22
Hình 3.2. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ áp và dòng hồi tiếp .......... 24
Hình 3.3. Bộ nghịch lưu áp 3 pha dạng mạch cầu ..................................... 26
Hình 3.4. Giản đồ xung kích và áp tải của bộ nghịch lưu áp 3 pha dạng mạch
cầu ........................................................................................................... 27
Hình 3.5. Điều khiển bộ nghịch lưu bằng phương pháp điều khiển vòng
trễ ............................................................................................................ 32
Hình 3.6. Mạch lái với điều khiển vòng trễ .............................................. 32
Hình 3.7. Nguyên lý điều khiển vòng trễ .................................................. 33

Hình 4.1. Mô hình và mô phỏng bộ nghịch lưu ........................................ 35
Hình 4.2. Mô hình và mô phỏng tính toán điện áp 3 pha Vabc ................... 36
Hình 4.3. Mô hình bộ PI .......................................................................... 37
Hình 4.4. Thông số của bộ điều khiển PI .................................................. 38

Hình 4.5. Khối chuyển đổi các giá trị trong hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ abc
................................................................................................................. 39
Hình 4.6. Khối chuyển đổi điện áp 3 pha abc sang hệ tọa độ αβ .............. 39
Hình 4.7. Mô hình và mô phỏng ĐCKĐB sử dụng Simulink/Matlab ........ 40


vii

Hình 4.8. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB với tải TL = 0 N.m .................... 41
Hình 4.9. Moment điện từ Te của ĐCKĐB với tải TL = 0 N.m .................. 41
Hình 4.10. Dòng điện stator pha A, ia của ĐCKĐB với tải TL = 0 N.m ..... 42
Hình 4.11. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB với tải TL = 4,1 N.m ............... 43
Hình 4.12. Moment điện từ Te của ĐCKĐB với tải TL = 4,1 N.m ............. 43
Hình 4.13. Dòng điện stator ia của ĐCKĐB với tải TL = 4,1 N.m ............. 44
Hình 4.14. Mô hình và mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương
pháp RFOC gián tiếp ............................................................................... 44
Hình 4.15. Mô hình và mô phỏng khối RFOC có bộ PI ............................ 45
Hình 4.16. Mô hình và mô phỏng tính toán dòng đặt ................................ 45
Hình 4.17. Mô hình và mô phỏng kỹ thuật điều khiển RFOC ................... 46
Hình 4.18. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 47
Hình 4.19. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 47
Hình 4.20. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 48
Hình 4.21. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 48
Hình 4.22. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức từ hóa trước ...................................................................................... 49
Hình 4.23. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định

mức từ hóa trước ...................................................................................... 50
Hình 4.24. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức từ hóa trước ...................................................................................... 50
Hình 4.25. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức
từ hóa trước ............................................................................................. 51
Hình 4.26. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa
trước, tải định mức ................................................................................... 52
Hình 4.27. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa
trước, tải định mức ................................................................................... 52


viii

Hình 4.28. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa
trước, tải định mức ................................................................................... 53
Hình 4.29. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước,
tải định mức ............................................................................................. 53
Hình 4.30. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng
½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 54
Hình 4.31. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng
½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 55
Hình 4.32. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng
½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 55
Hình 4.33. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½
vận tốc định mức rồi đổi chiều ................................................................. 56
Hình 4.34. Mô hình và mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương
pháp RFOC trực tiếp ................................................................................ 57
Hình 4.35. Mô hình khối ước lượng từ thông và góc quay từ thông .......... 58
Hình 4.36. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng và áp .................... 58
Hình 4.37. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định

mức chưa từ hóa ...................................................................................... 59
Hình 4.38. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 60
Hình 4.39. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 60
Hình 4.40. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 61
Hình 4.41. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức từ hóa trước ...................................................................................... 62
Hình 4.42. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức từ hóa trước ...................................................................................... 62
Hình 4.43. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức từ hóa trước ...................................................................................... 63


ix

Hình 4.44. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức
từ hóa trước ............................................................................................. 63
Hình 4.45. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa
trước, tải định mức ................................................................................... 64
Hình 4.46. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa
trước, tải định mức ................................................................................... 65
Hình 4.47. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa
trước, tải định mức ................................................................................... 65
Hình 4.48. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước,
tải định mức ............................................................................................. 66
Hình 4.49. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng
½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 67
Hình 4.50. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng

½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 67
Hình 4.51. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng
½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 68
Hình 4.52. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½
vận tốc định mức rồi đổi chiều ................................................................. 68
Hình 4.53. Mô hình và mô phỏng điều khiển động bằng phương pháp
RFOC trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor .............................. 69
Hình 4.54. Mô hình ước lượng tốc độ rotor từ dòng và áp ........................ 69
Hình 4.55. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 70
Hình 4.56. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 71
Hình 4.57. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 71
Hình 4.58. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 72
Hình 4.59. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức từ hóa trước ...................................................................................... 73


x

Hình 4.60. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức từ hóa trước ...................................................................................... 73
Hình 4.61. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức từ hóa trước ...................................................................................... 74
Hình 4.62. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức
từ hóa trước ............................................................................................. 74
Hình 4.63. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa
trước, tải định mức ................................................................................... 75

Hình 4.64. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa
trước, tải định mức ................................................................................... 76
Hình 4.65. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa
trước, tải định mức ................................................................................... 76
Hình 4.66. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước,
tải định mức ............................................................................................. 77
Hình 4.67. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng
½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 78
Hình 4.68. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng
½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 78
Hình 4.69. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng
½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 79
Hình 4.70. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½
vận tốc định mức rồi đổi chiều ................................................................. 79


1

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi điều
khiển, các hệ thống truyền động điện đã đạt được những bước tiến nhảy vọt.
Các đáp ứng điều khiển đạt được độ chính xác cao, cả trong chế độ động và
tĩnh. Trong các hệ thống truyền động điện, động cơ không đồng bộ được sử
dụng phổ biến với các nguyên lý điều khiển định hướng từ thông rotor mà cũng
đang được áp dụng rộng rãi. Đặc biệt là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc,
có giá thành thấp, hiệu suất cao, ít bảo trì. Trong tương lai, động cơ này có thể
sẽ dần thay thế động cơ một chiều trong các ứng dụng cần thay đổi vận tốc của
truyền động.

Nguyên lý điều khiển định hướng từ thông sẽ xác định điều kiện để điều
khiển độc lập từ thông và moment, đồng thời có thể điều khiển được moment
tối ưu.

1.2. Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của luận văn bao gồm:
+ Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến điều khiển động cơ không
đồng bộ;
+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng
bộ;
+ Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương
pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor;
+ Nghiên cứu và mô hình kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ
theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng
rotor;


2

+ Nghiên cứu và mô phỏng kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ
theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng
rotor.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
+ Đối tượng nghiên cứu của luận văn là động cơ không đồng bộ.
+ Phạm vi nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu kỹ thuật điều khiển
động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp.

1.4. Tổng quan các nghiên cứu liên quan
Tác giả Nguyễn Đức Trí đã nghiên cứu điều khiển động cơ không đồng
bộ bằng phương pháp RFOC/SFOC mà được kết hợp với kỹ thuật logic mờ

trong Luận văn Thạc sĩ, “Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương
pháp RFOC/SFOC và fuzzy logic”, tại Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM,
năm 2008 [1]. Tác giả đã tập trung thực hiện mô hình hóa động cơ không đồng
bộ lý tưởng. Trên cơ sở đó, tác giả đã thực hiện mô phỏng điều khiển động cơ
không đồng bộ sử dụng kỹ thuật FOC và logic mờ bằng phần mềm
Simulink/Matlab.
Tác giả Hồ Viết Phát đã thực hiện điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng phương pháp RFOC có tính đến bù tổn hao sắt từ trong Luận văn tốt
nghiệp, tại Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM, năm 2009 [2]. Tác giả đã
thực hiện mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ lý tưởng và động cơ có
tính đến tôn hao sắt từ.
Tác giả Hồ Thiện Lợi đã thực hiện điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng phương pháp FOC trên cơ sở dsPACE 1104 trong Luận văn tốt nghiệp, tại
Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM, năm 2010 [3]. Tác giả đã tìm hiểu card
dsPACE 1104 và tiến hành thực nghiệm điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng phương pháp RFOC gián tiếp.
Các tác giả C. Patel, R. Ramchand, K. Sivakumar, A. Das và K.
Gopakumar đã thực hiện mô phỏng và thực nghiệm điều khiển động cơ không
đồng bộ sử dụng card xử lý tín hiệu số TM320F2812 DSP trong công bố, “A


3

vector control for IM drives using current error space phasor based hysteresis
controller without speed sensor” [4]. Kỹ thuật điều khiển chính được sử dụng
trong nghiên cứu này là kỹ thuật điều khiển sai số dòng điện và đặc biệt, kỹ
thuật điều khiển này không sử dụng cảm biến tốc độ. Các tác giả đã thực hiện
ước lượng vận tốc rotor dựa trên các giá trị áp và dòng điện stator của động cơ.
R. Yanamshetti, S. S. Bharatkar, D. Chatterjee, A. K. Ganguli đã thực
hiện điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC, trong đó các

giá trị của từ thông stator và tốc độ rotor được ước lượng trong công bố khoa
học, “A simple DSP based speed sensorleess field oriented control of induction
motor” [5]. Tác giả đã thực hiện mô phỏng và thực nghiệm bằng việc sử dụng
card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F2407. Kết quả tốc độ hồi tiếp và tốc độ
ước lượng được so sánh với các đánh giá độ chính xác là cao. Ngoài ra, nghiên
cứu cũng cho thấy được mối quan hệ giữa từ thông rotor và điện trở stator; giữa
tốc độ trượt và điện trở rotor.
Các tác giả W. B. Mabrouk, J. Belhadj và M. Pietrzak-David đã thực
hiện các nghiên cứu để điều khiển hai hoặc nhiều động cơ không đồng bộ bằng
phương pháp điều khiển hướng từ rotor trung bình (Mean rotor field oriented
control, MRFOC) trong công bố khoa học, “Electromechanical multi-machine
system for railway: modelling, analysis and control” [6].

1.5. Bố cục dự kiến của luận văn
Luận văn nghiên cứu các vấn đề liên quan đến điều khiển động cơ
không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô
hình ước lượng tốc độ rotor bao gồm các nội dung cụ thể như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
Chương này giới thiệu chức năng và phạm vi sử dụng của động cơ
không đồng bộ trong các hệ thống truyền động điện của các hệ thống công
nghiệp.
Bên cạnh đó, chương này cũng trình bày tổng quan các kết quả nghiên
cứu của các tác giả khác liên quan đến nội dung của luận văn trong thời gian
gần đây của điều khiển động cơ không đồng bộ.


4

+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về mô hình toán học của động cơ

không đồng bộ, cũng như các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ
như phương pháp điều khiển V/f, phương pháp điều khiển định hướng từ
trường FOC và phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC.
+ Chương 3: Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng
từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor
Chương này trình bày kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo
phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc
độ rotor.
+ Chương 4: Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp
định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor
Chương này trình bày các mô phỏng và kết quả đạt được tương ứng với
các kịch bản khác nhau như:
- Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa;
- Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước;
- Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức;
- Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi
đổi chiều
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai.


5

Chương 2
Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
2.1. Giới thiệu động cơ không đồng bộ
Ngày nay, động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB), đặc biệt là động cơ rotor
lồng sóc được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp. Loại động cơ này có
nhiều ưu điểm hơn động cơ DC như không yêu cầu bảo trì thường xuyên, độ
tin cậy cao, khối lượng và quán tính nhỏ hơn, giá thành rẻ hơn và khả năng làm
việc hiệu quả hơn đặc biệt trong môi trường độc hại. Do đó, ĐCKĐB được sử

dụng rộng rãi trong công nghiệp hơn so với tất cả các loại động cơ khác. Tuy
nhiên, phần lớn ĐCKĐB được sử dụng trong các ứng dụng với tốc độ không
đổi, do phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB thường có hiệu suất kém.
Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn công suất
cao và kỹ thuật vi xử lý, những bộ phận điều khiển ĐCKĐB đã được chế tạo
với đáp ứng cao hơn và giá thành rẻ hơn các bộ điều khiển DC trong nhiều ứng
dụng. Dự kiến trong tương lai gần, ĐCKĐB sẽ được sử dụng rộng rãi trong hầu
hết các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ.
Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB có thể được liệt kê như sau.
2.2. Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ
2.2.1. Phương pháp điều khiển V/f (điều khiển vô hướng)
Tốc độ đồng bộ của ĐCKĐB tỷ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp.
Do đó, khi thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ, tốc độ đồng bộ và
tương ứng là tốc độ của động cơ sẽ thay đổi.
* Các đặc trưng của kỹ thuật điều khiển:
+ Biến điều khiển là biến điện áp và tần số;
+ Sử dụng bộ điều chế độ rộng xung;
+ Thông thường, điều khiển dạng vòng hở;
+ Từ thông được giữ không đổi bằng cách giữ V/f = hằng số.


6

* Ưu điểm của kỹ thuật điều khiển:
+ Đơn giản và không cần hồi tiếp;
+ Chi phí thấp.
* Nhược điểm của kỹ thuật điều khiển:
+ Không điều khiển tối ưu được moment;
+ Không điều khiển trực tiếp được moment và từ thông;
+ Độ chính xác không cao;

+ Đáp ứng chậm.
2.2.2. Phương pháp định hướng từ trường FOC
* Các đặc trưng của kỹ thuật điều khiển:
+ Định hướng được từ thông nên tối ưu được moment;
+ Điều khiển vòng kín;
+ Moment được điều khiển gián tiếp.
* Ưu điểm của kỹ thuật điều khiển:
+ Đáp ứng moment nhanh;
+ Điều khiển chính xác vận tốc;
+ Đảm bảo moment ở vận tốc bằng 0;
+ Tương tự như điều khiển DC.
* Nhược điểm của kỹ thuật điều khiển:
+ Phải có hồi tiếp tốc độ trong giải thuật điều khiển;
+ Chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục;
+ Cần phải điều khiển độ rông xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng
và tham số động cơ.
2.2.3. Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC
* Các đặc trưng của kỹ thuật điều khiển:


7

+ Điều khiển độc lập giữa moment và từ thông.
* Ưu điểm của kỹ thuật điều khiển:
+ Định hướng được từ thông do đó tối ưu được moment;
+ Điều khiển trực tiếp moment và từ thông;
+ Không cần hồi tiếp tốc độ, moment, từ thông được lấy trực tiếp từ hệ
quan sát;
+ Không cần các bộ điều khiển dòng điện, các bộ điều chế độ rộng
xung, khâu chuyển hệ tọa độ (biến đổi Park);

+ Tính động cao;
+ Thời gian tính toán nhanh;
+ Ít phụ thuộc tham số động cơ.
* Nhược điểm của kỹ thuật điều khiển:
+ Khởi động không tốt.
+ Sự suy giảm kích từ và dao động của từ thông ở vùng vận tốc thấp và
moment ở vùng vận tốc cao.
Tần số đóng cắt bộ nghịch lưu biến đổi theo điểm làm việc của động cơ.
2.3. Mô hình động của động cơ không đồng bộ lý tưởng
2.3.1. Phương trình toán học mô tả động cơ không đồng bộ lý tưởng
Máy điện không đồng bộ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân. Các
cuộn dây của máy điện có cấu trúc phân bố phức tạp trong không gian. Trong
mô hình hóa động cơ điện, các điều kiện sau được giả sử:
+ Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng về mặt không gian;
+ Dây quấn rotor đã quy đổi sang dây quấn stator;
+ Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hoà của mạch từ;
+ Các giá trị điện trở và điện cảm được xem là không đổi.
Xét máy điện không đồng bộ có p đôi cặp cực. Tại thời điểm đang xét,
trục pha A của rotor lệch một góc cơ γR so với trục pha A của stator, tương ứng
với độ lệch góc điện của rotor so với stator θr.


8

Hình 2.1. Mô hình cấu trúc động cơ không đồng bộ
Phương trình điện áp phía stator:
vsA = RsAisA +

d Ψ sA
dt

(2.1)

vsB = RsB isB +

d Ψ sB
dt

(2.2)

vsC = RsC isC +

d Ψ sC
dt

(2.3)

Phương trình điện áp phía rotor:
vra = Rra ira +

d Ψ ra
dt

(2.4)

vrb = Rrb irb +

d Ψ rb
dt

(2.5)

vrc = Rrc irc +

d Ψ rc
dt

(2.6)


9

Từ thông móc vòng của stator:
Ψ sA = Ls isA + M s isB + M s isC + M sr cosθ r ira + M sr cos (θ r + 4π / 3)irc + M sr cos (θ r + 2π / 3)irb

(2.7)
Ψ sB = Ls isB + M s isA + M s isC + M sr cosθ r irb + M sr cos (θ r + 4π / 3)ira + M sr cos (θ r + 2π / 3)irc

(2.8)
Ψ sC = Ls isC + M s isB + M s isA + M sr cosθ r irc + M sr cos(θ r + 4π / 3)irb + M sr cos (θ r + 2π / 3)ira

(2.9)
Từ thông móc vòng của rotor:
Ψ sa = Ls isa + M s isb + M s isc + M sr cosθ r irA + M sr cos(θ r + 4π / 3)irC + M sr cos(θ r + 2π / 3)irB

(2.10)
Ψ sb = Ls isb + M s isa + M s isc + M sr cosθ r irB + M sr cos(θ r + 4π / 3)irA + M sr cos (θ r + 2π / 3)irC

(2.11)
Ψ sc = Ls isc + M s isb + M s isa + M sr cosθ r irC + M sr cos (θ r + 4π / 3)irB + M sr cos(θ r + 2π / 3)irA

(2.12)
Kết hợp các phương trình (2.1) đến (2.12), phương trình điện áp stator và rotor
được viết lại như sau:

 vsA   Rs + pLs
v  
pM s
 sB  
vsC  
pM s
L
 =
 vsa   pM sr cos θ
 vsb  
   pM sr cos θ1
 vsc   pM cos θ
sr
2


pM s

pM s

pM sr cos θ

pM sr cos θ1

Rs + pLs

pM s

pM sr cos θ 2

pM sr cos θ

pM s

Rs + pLs

pM sr cos θ1

pM sr cos θ 2

pM sr cos θ 2

pM sr cos θ1

Rs + pLr

pM r

pM sr cos θ

pM sr cos θ 2

pM r

Rs + pLr

pM sr cos θ1

pM sr cos θ

pM r

pM r

pM sr cos θ 2 

pM sr cos θ1 

pM sr cos θ 

pM r


pM r

Rs + pLr 

(2.13)
2.3.2. Phương trình vector không gian trong hệ tọa độ stator
Giả sử cuộn dây stator được cung cấp nguồn từ hệ thống điện áp xoay
chiều ba pha cân bằng với tần số góc ωs . Ba dòng hình sin phía rotor isA , isB và
isC của ĐCKĐB không nối điểm trung tính.
isA (t ) + isA (t ) + isA (t ) = 0

(2.14)