Điều khiển động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao không cảm biến

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HOÀNG BÁ ĐẠI NGHĨA

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO KHÔNG CẢM BIẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng - Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HOÀNG BÁ ĐẠI NGHĨA

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO KHÔNG CẢM BIẾN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. NGUYỄN ANH DUY
2. TS. NGUYỄN ĐỨC QUẬN

Đà Nẵng - Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN

Trong vài năm gần đây đã và đang có một số nhà khoa học trong nước và trên thế
giới, quan tâm nghiên cứu hệ truyền động trực tiếp moment, chủ yếu tập trung vào động
cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Đối với động cơ đồng bộ từ
trở đang là vấn đề được quan tâm nghiên cứu, chưa có công trình khoa học nào công bố
một cách đầy đủ và có tính thực nghiệm.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả
trong luận văn là hoàn toàn trung thực.
Tác giả luận văn


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1
2. Mục tiêu của đề tài ..................................................................................................3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................3
4. Cách tiếp cận, Phương pháp nghiên cứu .................................................................3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................4
6. Dự kiến kết quả đạt được.........................................................................................4
7. Dàn ý nội dung ........................................................................................................4
- TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ (ĐCĐBTT) .........6
Tổng quan về động cơ đồng bộ từ trở .......................................................................6
Động học động cơ đồng bộ từ trở ..............................................................................7
Phép biến đổi trục tọa độ ...........................................................................................8
Hệ tọa độ cố định stator ......................................................................................8
Hệ quy chiếu quay .............................................................................................. 9

Ma trận chuyển đổi giữa các hệ quy chiếu .........................................................9
Chuyển đổi từ hệ tọa độ a, b, c sang α, β và ngược lại .....................................10
Phương trình của động cơ trong các hệ tọa độ ........................................................11
Phương trình điện áp trong hệ tọa tọa (a, b, c) .................................................11
Phương trình của động cơ trong hệ tọa độ (α,β)...............................................12
Phương trình trong hệ tọa độ quay d-q ............................................................. 13
Các sơ đồ điều khiển động cơ từ trở ........................................................................15
Vấn đề chung về điều khiển vectơ....................................................................15
Vấn đề chung về điều khiển trực tiếp moment .................................................16
Kết luận chương 1 ...................................................................................................18
- MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG
BỘ TỪ TRỞ .................................................................................................................19
Điều khiển từ thông stator .......................................................................................19
Điều khiển moment .................................................................................................21
Lựa chọn vectơ điện áp............................................................................................ 21
Ước luợng từ thông stator, moment điện từ ............................................................ 23
Thiết lập bộ máy hiệu chỉnh từ thông, moment.......................................................26
Thiết lập bảng chuyển mạch ....................................................................................27
Cấu trúc hệ thống điều khiển trực tiếp moment ......................................................28
Ảnh hưởng của điện trở stator trong phương pháp điều khiển trực tiếp moment
(DTC)............................................................................................................................. 29


Mô phỏng điều khiển DTC ......................................................................................32
Mô phỏng điều khiển trực tiếp DTC trên simulink ..........................................32
Kết quả mô phỏng điều khiển DTC ..................................................................32
Điều khiển trực tiếp moment động cơ đồng bộ từ trở tối ưu dòng điện ................33
Giới hạn dòng điện và điện áp ........................................................................33
Xác định quy luật điều khiển tỷ lệ tối ƣu moment/ dòng điện (MTPA- maximun
torque-per-ampere) ....................................................................................................33

Cấu trúc điều khiển tỷ lệ tối ưu giữa moment/dòng điện (T/I) ......................35
Xác định Moment hằng số và công suất không đổi .......................................35
Xây dựng quy luật điều khiển tỷ lệ tối ưu moment/dòng điện (MTPA) ...............36
Phương pháp tối ưu từ thông và moment (MTPW) ..............................................37
Kết quả mô phỏng .................................................................................................38
Kết luận chương 2 .................................................................................................39
- ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ
SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG ............................................................ 40
Giới thiệu chung về bộ lọc Kalman .........................................................................40
Quy trình ước lượng ................................................................................................ 41
Tiêu chuẩn thuật toán bộ lọc Kalman ......................................................................44
Bộ lọc Kalman mở rộng ..........................................................................................45
Điều khiển không cảm biến động cơ động bộ từ trở ...............................................49
ứng dụng bộ lọc kalman mở rộng để ước lượng vị trí và tốc độ ĐCĐBTT ............49
Xác định ma trận nhiễu và hiệp phương sai Q, R, P ........................................51
Các thuật toán EKF rời rạc; Điều chỉnh ...........................................................51
Mô hình điều khiển và kết quả mô phỏng ............................................................... 53
Kết luận chương 3 ...................................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................57
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao)


ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO KHÔNG CẢM BIẾN
Học viên: Hoàng Bá Đại Nghĩa
Mã số: 60.52.02.16

Chuyên ngành: kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Khóa: K31TĐH. Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt-Động Cơ Từ Trở Đồng Bộ (ĐCTTĐB) có nhiều ưu điểm do cấu trúc đơn giản và vững

chắc. Stator của ĐCTTĐB giống hệt stator của động cơ không đồng bộ hay động cơ đồng bộ
truyền thống, rotor dạng cực lồi và đặc, không có cuộn dây hay nam châm vĩnh cửu, phù hợp
cho các ứng dụng tốc độ cao và môi trường nhiệt độ cao.
Phương pháp điều khiển tối ưu nhằm đảm bảo tạo ra mô men tối đa, đặc biệt là ở vùng
suy giảm từ thông. Trong phương pháp này, véc tơ dòng điện đươc điều khiển trực tiếp. Ở vùng
tốc độ thấp (vùng mô men không đổi), sử dụng chiến lược điều khiển tối ưu mômen/dòng điện
(M/I), ở vùng tốc độ cao (vùng suy giảm từ thông), sử dụng chiến lược điều khiển tối ưu
mômen/từ thông (M/Ψ). Hệ thống truyền động hoạt động trong phạm vi giới hạn điệp áp và
giới hạn dòng điện của động cơ.
Phương pháp điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao. Sử
dụng bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng vị trí và tốc độ của động cơ đồng bộ từ trở tốc độ
cao.
Từ khóa – Động cơ từ trở đồng bộ; tốc độ cao; mô hình hóa; mô phỏng; suy giảm từ
thông; điều khiển không cảm biến; bộ lọc Kalman mở rộng.
SENSORLESS CONTROL OF HIGH SPEED SYNCHRONOUS RELUCTANCE
MOTORS
Abstract-Synchronous Reluctance Motor (SynRM) has many advantages due to its
simple and solid structure. The stator of SyRM resembles a stator of an synchronous motor or
a traditional synchronous motor, a very convex and solid rotor, without permanent windings or
magnets, suitable for high speed applications and high temperature environments.
In this method, the current vector is controlled directly. The Maximum Torque Per Amper
(MTPA) operation in below the base speed (constant torque region) and Maximum Torque Per
Weber (MTPW) operation in above the base speed (field-weakening region). The drive operates
within the voltage and current limits of the motor.
Presents a method high speed sensorless control of Synchronous Reluctance Motor
(SynRM). We propose an Extended Kalman Filter (EKF) to estimate the position and speed of
high speed synchronous reluctance motor.
Key words - Synchronous reluctance motor; high-speed; modeling; simulation; fieldweakenin, sensorless control; extended Kalman filter

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
DTC (Direct Torque Control)
ĐCĐBTT

: Điều khiển trực tiếp
: Động cơ đồng bộ từ trở

MTPA (maximum torque-per-ampere)

: Quy luật điều khiển tỷ lệ tối ưu moment
dòng điện
: quy luật điều khiển tỷ lệ tối ưu moment

MTPW (maximum torque-per-weber)

/từ thông
EKF (Extended Kalman Filter)

: Bộ lọc Kalman mở rộng


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
Bảng 2.1

Tên hình bảng
Bảng lựa chọn vectơ điện áp điều khiển trễ moment 3

Trang
28

vị trí, 6 vectơ
Bảng 3.1

Thông số động cơ đồng bộ từ trở

54


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Số hiệu

Tên hình vẽ

Trang

Hình 1.1

Cấu trúc động cơ đồng bộ từ trở

6

Hình 1.2

Hệ tọa độ αβ

7

Hình 1.3

Hệ tọa độ αβ-dq

8

Hình 1.4

Hệ tọa độ abc-dq

8

Hình 1.5

Hình 1.5 Hệ tọa độ αβ-dq

9

Hình 1.6

Hệ tọa độ αβ-dq

11

Hình 1.7

Phương trình điện áp trên simulink

13

Hình 1.8

Phương trình moment trên matlab simulink

13

Hình 1.9

Động cơ đồng bộ từ trở trên Simulink

14

Hình 2.1

Bộ biến tần và các vecto điện áp tạo ra bởi biến tần

19

Hình 2.2

Sai lệch vecto từ thông

20

Hình 2.3

Lựa chọn vectơ điện áp

21

Hình 2.4

Thuật toán tích phân của Hu và Wu

23

Hình 2.5

Cấu trúc bộ ước lượng

24

Hình 2.6

Hàm đầu ra của bộ hiệu chỉnh Moment

25

Hình 2.7

Biến thiên moment sử dụng bộ hiệu chỉnh 3 vị trí

26

Hình 2.8

Sơ đồ điều khiển trực tiếp moment

27

Hình 2.9

Cấu trúc hệ thống điều khiển DTC

28

Hình 2.10

Sơ đồ cấu trúc động cơ ĐBTT có bù áp

29

Hình 2.11

Cấu trúc bù điện trở PI

30

Hình 2.12

Mô hình điều khiển DTC

31

Hình 2.13

Kết quả mô phỏng điều khiển DTC

31

Hình 2.14

Dòng điện và từ thông trong hệ tóa độ d-q

33

Hình 2.15

Quỹ tích moment ứng với mỗi giá trị của dòng điện

33

Hình 2.16

Cấu trúc điều khiển tỷ lệ tối ưu giữa T/I

34

Hình 2.17

Lưu đồ thuật toán điều khiển moment hằng số

35

Hình 2.18

Biến đổi PWM cho tối ưu từ thông

35

Hình 2.19

Mô hình điều khiển theo phương pháp MTPA

36

Hình 2.20

Quỹ tích Moment với mối giá trị của từ thông

37

Hình 2.21

Đáp ứng hệ thống với tốc độ đặt 15000(vòng/phút)

38

Hình 3.1

Tín hiệu thu được trước và sau khi lọc kalman

39


Số hiệu

Tên hình vẽ

Trang

Hình 3.2

Sơ đồ bộ lọc Kalman

40

Hình 3.3

Chu trình lọc kalman

42

Hình 3.4

Thuật toán bộ lọc kalman tiêu chuẩn

43

Hình 3.5

Thuật toán bộ lọc kalman mở rộng

47

Hình 3.6

Điều khiển không cảm biến sử dụng bộ lọc Kalman

52

Hình 3.7

Mô phỏng điều khiển với bộ lộc kalman

53


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Động cơ từ trở đồng bộ (ĐCTTĐB) bắt đầu được nghiên cứu vào đầu những năm
1920 với sự khám phá ra khái niệm mô men từ trở. Các nghiên cứu đầu tiên về loại động
cơ này được thực hiện bởi J. K. Kostko vào năm 1923.
Động cơ đồng bộ từ trở có cấu trúc đơn giản và vững chắc, có stator giống hệt
stator của động cơ không đồng bộ hay động cơ đồng bộ truyền thống, rôto dạng cực lồi
và đặc, không có cuộn dây hay nam châm vĩnh cửu, phù hơp cho các ứng dụng tốc độ
cao và làm việc trong môi trường nhiệt độ cao. Do có cấu trúc đơn giản nên dễ dàng chế
tạo, không có tổn thất ở rôto, giá thành rẻ hơn nhiều so với các loại động cơ khác có
cùng công suất. Do những ưu điểm nổi bật của động cơ đồng bộ từ trở, trong những năm
gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị bán dẫn công suất và điều khiển số, động
cơ đồng bộ từ trở đã thu hút sự chú ý và quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trên thế
giới trong các ứng dụng truyền động tốc độ cao. Để thực hiện điều khiển vectơ đối với
động cơ đồng bộ từ trở, cần phải biết chính xác vị trí của rôto. Việc lắp đặt cảm biến để
xác định vị trí của rôto tồn tại nhiều nhược điểm như kết cấu của hệ thống cồng kềnh,
tăng giá thành của hệ thống, độ tin cậy và hiệu suất giảm trong trường hợp thiếu chính
xác của cảm biến. Hầu hết các nhà sản xuất thiết bị ứng dụng luôn tìm kiếm giải pháp
để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy, giảm tối đa chi phí sản xuất.
Điều khiển động cơ đồng bộ từ trở không sử dụng cảm biến tốc độ đã được nhiều
nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu, nhưng hầu hết các nghiên cứu chỉ tập
trung đến điều khiển ở vùng tốc độ thấp và cận không (dưới 1.000 vòng/phút) [1][2][3].
Hiện nay, chưa có công trình nghiên cứu điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ

từ trở tốc độ cao, đặc biệt là nghiên cứu, đề xuất cho các ứng dụng trong thực tế. Với
yêu cầu phát triển và công nghiệp hóa đất nước, cùng với các nhà nghiên cứu trong và
ngoài nước, việc nghiên cứu điều khiển không cảm biến động cơ động bộ từ trở cho các
ứng dụng tốc độ cao là yêu cầu cần thiết và có ý nghĩa về mặt lý thuyết cũng như đề
xuất các ứng dụng trong thực tế.
Trong những năm gần dây, các nhà nghiên cứu trong nước đã rất quan tâm đến
động cơ từ trở cho các ứng dụng trong công nghiệp, đặc biệt là trong ứng dụng cho ô tô
điện [1], tuy nhiên các tác giả chủ yếu tập trung nghiên cứu đối với động cơ từ trở thay


2
đổi [2][3]. Chưa có những công trình được công bố liên quan đến điều khiển không sử
dụng cảm biến đối với động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao.
[1]
/>[2] Nguyễn Bảo Huy, Tạ Cao Minh, “Mô hình hóa và mô phỏng động cơ từ trở
thay đổi sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn”. Hội nghị toàn quốc về Điều
khiển và Tự động hóa – VCCA-2011
[3] Nguyễn Bảo Huy, Tạ Cao Minh, “Điều khiển phân bố mô men động cơ từ
trở thay đổi có đặc tính điện cảm phi tuyến mạnh”. Hội nghị toàn quốc về Điều khiển
và Tự động hóa – VCCA-2011
Hiện nay, đối với các ứng dụng truyền động tốc độ cao gồm có hai dạng truyền
động chính là: truyền động gián tiếp thông qua hộp tốc độ và truyền động trực tiếp sử
dụng động cơ điện tốc độ cao. Hệ truyền động sử dụng hộp tốc độ tồn tại nhiều nhược
điểm, do đó không áp dụng dạng truyền động này cho động cơ điện có tốc độ cao nhằm
giảm khối lượng [1], giảm giá thành và tổn thất của hệ thống [2]. Một số ứng dụng
truyền động tốc độ cao điển hình trên thế giới: truyền động chính máy công cụ công suất
5 kW, tốc độ 180.000 vòng/phút [3]; máy nén khí công suất từ 12 kW đến 131 kW, tốc
độ 65.000-118.000 vòng/phút [4][5]
[1] N. Bianchi, S. Bolognani, and F. Luise, “High Speed Drive Using a Slotless
PM Motor,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 21, no. 4, pp. 1083–1090, Jul. 2006.

[2] A. Arkkiol, T. Jokinen, and E. Lantto, “Induction and Permanent-Magnet
Synchronous Machines for High-Speed Applications,” Proc. Eighth Int. Conf. Electr.
Mach. Syst., pp. 871–876, 2005.
[3] I. Takahashi, T. Koganezawa, and G. Su, “A Super High Speed PM Motor
Drive System by a Quasi-Current Source Inverter,” IEEE Ind. Appl. Soc. Annu. Meet.,
vol. 1, 1993.
[4] J. Yim, W. J. Lee, S.-K. Sul, H. S. Yang, and J. T. Kim, “Sensorless vector
control of super high speed turbo compressor,” IEEE Appl. Power Electron. Conf.
Expo., pp. 950–953, 2005.
[5] B. Bae, S. Sul, J. Kwon, and B. Ji-Seob, “Implementation of Sensorless Vector
Control for Super-High-Speed PMSM of Turbo -Compressor,” IEEE Trans. Ind. Appl.,
vol. 39, no. 3, pp. 811–818, 2003.
Căn cứ vào điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam. Tôi đề xuất chọn đề tài nghiên cứu
“điều khiển động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao không cảm biến”
[1]

S. Ichikawa, M. Tomita, S. Doki, and S. Okuma, “Sensorless Control of

Synchronous Reluctance Motors Based on Extended EMF Models Considering


3
Magnetic Saturation With Online Parameter Indentification,” IEEE Trans. Ind. Appl.,
vol. 42, no. 5, pp. 1264–1274, 2006.
[2]

T. Senjyu, K. Kinjo, N. Urasaki, and K. Uezato, “Sensorless Control of

Synchronous Reluctance Motors Considering The Stator Iron Loss With Extended
Kalman Filter,” Conf. Power Electron. Spec., vol. 1, pp. 403–408, 2003.

[3]

W. Bin Lin, H. K. Chiang, and C. H. Yeh, “Sensorless Vector Control of

Synchronous Reluctance Motor With Extended Kalman Filter,” ICIC Express Lett., vol.
7, no. 6, pp. 1773–1779, 2013.
2. Mục tiêu của đề tài
Tìm hiểu tổng quan về động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao và điều khiển không cảm
biến
- Mô phỏng động cơ đồng bộ từ trở
- Đưa ra chiến lược điều khiển động cơ từ trở tốc độ cao không sử dụng cảm biến
tốc độ ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng
- Mô phỏng các chiến lược điều khiển đề xuất
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
 Động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao: cấu tạo, nguyên tắc hoạt động
 Các phương pháp điều khiển tối ưu và điều khiển không cảm biến.
 Bộ lọc kalman mở rộng
Phạm vi nghiên cứu: Mô phỏng điều khiển động cơ đông bộ từ trở tốc độ cao không
sử dụng cảm biến tốc độ.
4. Cách tiếp cận, Phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận
 Tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước, phân tích tình hình nghiên cứu trong
và ngoài nước liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của đề tài
 Kế thừa các kết quả đã có của nhóm tác giả thực hiện đề tài nghiên cứu
 Đề xuất giải pháp mới nhằm tối ưu hóa mô hình động cơ trong điều khiển không
cảm biến ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa, mô phỏng và phân tích kết quả
mô phỏng bằng Matlab – Simulink

4
- Nghiên cứu thực nghiệm
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài nghiên cứu thành công sẽ góp phần kiểm chứng và phát triển phương pháp
điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở. Đây là một phương pháp điều khiển
đối tượng động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao.
Đóng góp có ý nghĩa của luận văn đề xuất xây dựng quy luật điều khiển tỷ lệ tối
ưu giữa moment/dòng điện (T/I), điều khiển tối ưu mômen/từ thông (M/Ψ), điều khiển
không sử dụng cảm biến tốc độ sử dung một bộ lọc Kalman mở rộng. Các kết quả mô
phỏng đã chứng minh một cách tuyết phục ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
6. Dự kiến kết quả đạt được
Khi hoàn thành luận văn sẽ xây dựng được mô hình hóa, mô phỏng và phương
pháp điều khiển động cơ từ trở tốc độ cao có và không sử dụng cảm biển tốc độ. Các
nghiên cứu về lý thuyết được trình bày và xây dựng quy luật điều khiển.
Phương pháp véc tơ dòng điện đươc điều khiển trực tiếp. Ở vùng tốc độ thấp (vùng
mô men không đổi), sử dụng chiến lược điều khiển tối ưu mômen/dòng điện (M/I), ở
vùng tốc độ cao (vùng suy giảm từ thông), sử dụng chiến lược điều khiển tối ưu
mômen/từ thông (M/Ψ).
Phương pháp điều khiển không sử dụng cảm biến tốc độ sử dung một bộ lọc
Kalman mở rộng để ước lượng vị trí và tốc độ của động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao.
Các phương trình của bộ lọc Kalman mở rộng được xây dựng trên hệ tọa độ từ thông rô
to đồng bộ, dó đó có thể dễ dàng áp dụng đối với động cơ đồng bộ từ trở. Tốc độ và vị
trí ước lượng của động cơ được xác định trong một dải rộng, động cơ có thể khởi động
mà không cần biết chính xác vị trí ban đầu của rô to.
7. Dàn ý nội dung
Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung của đề tài được tổ chức thành 3
chương. Bố cục của nội dung chính của luận văn như sau:
Chương 1: Tổng quan về động cơ động bộ từ trở
1.1 Tổng quan về động cơ đồng bộ từ trở

1.2 Động học động cơ động cơ đồng bộ từ trở
1.3 Các phép biến đổi hệ tọa độ
1.4 Phương trình động cở đồng bộ từ trở trong các hệ tọa độ


5
1.5 Các sơ đồ điều khiển
1.6 Động học động cơ động cơ đồng bộ từ trở
Chương 2: Mô hình hóa, mô phỏng điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ
từ trở
2.1 Mô hình động cơ đồng bộ từ trở
2.2 Cấu trúc điều khiển
2.3 Phương pháp điều khiển
2.4 Kết quả mô phỏng
Chương 3: Điều khiển không sử dụng cảm biến tốc độ động cơ động bộ từ trở tốc
độ cao ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng
3.1 Giới thiệu chung về bộ lọc Kalman
3.2 Nguyên lý bộ lọc Kalman mở rộng
3.3 Tiêu chuẩn bộ lọc Kalman
3.4 Bộ lọc Kalman mở rộng
3.5 Điểu khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở
3.6 Ứng dụng bộ lọc kalman mở rộng để ước lượng vị trí và tốc độ
3.7 Mô hình điều khiển và kết quả mô phỏng
Trong quá trình thực hiện luận văn, dưới sự hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Anh Duy
và Tiến sĩ Nguyễn Đức Quận, tác giả đã nỗ lực thực hiện để hoàn thành các nội dung đề
ra thuộc hướng nghiên cứu. Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn các thầy trước
việc định hướng rõ nét và góp nhiều ý kiến quý báu cho bản luận văn này.
Do hạn chế về thời gian cũng như về kiến thức của bản thân chắc chắn bản luận
văn này còn nhiều khiếm khuyết, tác giả sẽ rất hạnh nếu được tiếp nhận các ý kiến phê
phán các nội dung đề cập trong luận văn.

6
- TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ (ĐCĐBTT)
Tổng quan về động cơ đồng bộ từ trở
Để biến đổi điện năng thành cơ năng thì động cơ điện đồng bộ là một trong những
thiết bị điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Hệ truyền động điều khiển tốc độ
động cơ đồng bộ ba pha ngày nay được sử dụng rộng rãi với giải công suất từ vài trăm
W đến hàng trăm MW. Nó chiếm vị trí quan trọng trong các hệ truyền tự động. Ở giải
công suất lớn và cực lớn thì nó hoàn toàn chiếm ưu thế. Tuy vậy ở công suất nhỏ và vừa
nó phải cạnh tranh với truyền động động cơ đồng bộ công suất nhỏ càng được chú ý
nghiên cứu ứng dụng thay thế động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ.
Động cơ đồng bộ từ trở (Synchronous reluctance motor) bắt đầu được nghiên cứu
vào đầu những năm 1920 [1][2] với sự khám phá ra khái niệm mô men từ trở. Các nghiên
cứu đầu tiên về loại động cơ này được thực hiện bởi J. K. Kostko vào năm 1923 [3]
Động cơ đồng bộ từ trở (ĐCĐBTT) có nhiều ưu điểm do cấu trúc đơn giản và vững
chắc. Stator của ĐCĐBTT giống hệt stator của động cơ không đồng bộ hay động cơ
đồng bộ truyền thống, rotor dạng cực lồi và đặc, không có cuộn dây hay nam châm vĩnh
cửu, phù hợp cho các ứng dụng tốc độ cao và môi trường nhiệt độ cao. Do cấu trúc đơn
giản nên dễ dàng chế tạo, giá thành rẻ hơn so với các loại động cơ khác cùng công suất.
Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên sự bất đối xứng từ [4][5].
Hiện nay, ĐCĐBTT hoạt động trong một dải công suất rộng: từ 750W đến 120kW
và tốc độ từ 3000 vòng/phút đến 54.000 vòng/phút [6]. ĐCĐBTT được đặc trưng bởi hệ
số lồi của rotor Ld/Lq, trong đó Ld là điện cảm của stator theo trục d, Lq là điện cảm
theo trục q trong hệ tọa độ chuyển đổi Park.
Do những ưu điểm nổi bật của động cơ đồng bộ từ trở, trong những năm gần đây
với sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị bán dẫn công suất và điều khiển số, động cơ đồng
bộ từ trở đã thu hút sự chú ý và quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới trong
các ứng dụng truyền động tốc độ cao. Để thực hiện điều khiển vectơ đối với động cơ
đồng bộ từ trở, cần phải biết chính xác vị trí của rôto. Việc lắp đặt cảm biến để xác định

vị trí của rôto tồn tại nhiều nhược điểm như kết cấu của hệ thống cồng kềnh, tăng giá
thành của hệ thống, độ tin cậy và hiệu suất giảm trong trường hợp thiếu chính xác của


7
cảm biến. Hầu hết các nhà sản xuất thiết bị ứng dụng luôn tìm kiếm giải pháp để nâng
cao hiệu suất và độ tin cậy, giảm tối đa chi phí sản xuất.
Điều khiển động cơ đồng bộ từ trở không sử dụng cảm biến tốc độ đã được nhiều
nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu, nhưng hầu hết các nghiên cứu chỉ tập
trung đến điều khiển ở vùng tốc độ thấp và cận không (dưới 1.000 vòng/phút) [1][2][3].
Hiện nay, chưa có công trình nghiên cứu điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ
từ trở tốc độ cao, đặc biệt là nghiên cứu, đề xuất cho các ứng dụng trong thực tế. Với
yêu cầu phát triển và công nghiệp hóa đất nước, cùng với các nhà nghiên cứu trong và
ngoài nước, việc nghiên cứu điều khiển không cảm biến động cơ động bộ từ trở cho các
ứng dụng tốc độ cao là yêu cầu cần thiết và có ý nghĩa về mặt lý thuyết cũng như đề
xuất các ứng dụng trong thực tế.
Động học động cơ đồng bộ từ trở
Động cơ đồng bộ từ trở có kết cấu phía stator giống các loại động cơ đồng bộ
truyển thống: 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.

Hình 1.1 Cấu trúc động cơ đồng bộ từ trở
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 từ trở bố trí

8
đều đặn trên bề mặt rotor, vì lý do đó dòng điện stator chỉ còn chứ dòng tạo mômen quay
isd và không còn dòng kích từ nữa.
Qua mô hình động cơ đồng bộ từ trở 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/
điều chỉnh 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 cho phép áp dụng ngay một cách thuận lợi các phương pháp điều
chỉnh trên tọa độ dq mà không cần quan tâm đến tọa độ αβ 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 từ trở kiểu cực tròn là đầy đủ.
Phép biến đổi trục tọa độ
Hệ tọa độ cố định stator
Vector không gian điện áp stator là một vector có modul xác định (|us|) quay trên
mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một
góc ωst. Đặt tên cho trục thực là α và trục ảo là β, vector không gian (điện áp stator) có
thể được mô tả thông qua hai giá trị thực (usα) và ảo (usβ) là hai thành phần của vector.
Hệ tọa độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ αβ.

Hình 1.2 hệ tọa độ αβ


9
Hệ quy chiếu quay
Trong mặt phẳng của hệ tọa độ αβ, xé thêm một hệ tọa độ thứ 2 có trục hoành d và
trục tung q, hệ tọa độ thứ 2 này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc θs so với hệ

tọa độ stator (hệ tọa độ αβ). Trong đó, ωa =dθa/dt quay tròn quanh gốc tọa độ chung, góc
θa = ωat + ωa0. Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector trong không gian tương ứng
với hai hệ tọa độ này. Hình vẽ sau sẽ mô tả mối liên hệ của hai tọa độ này.

Hình 1.3 hệ tọa độ αβ-dq
Ma trận chuyển đổi giữa các hệ quy chiếu

Hình 1.4 Hệ tọa độ abc-dq


10
Chuyển đổi từ hệ tọa độ a, b, c sang α, β và ngược lại
1

1 

f   2
2
f   
3
   3 0

2


 1
f a  
f     1
 b  2
 f c  

 1
 2

1 
fa 
2  
 fb
3 
 f c 

2 


0 

3  f  
 
2   f 

3

2 

(1.1)

(1.2)

Chuyển từ d, q sang α, β và ngược lại

Hình 1.5 Hệ tọa độ αβ-dq

Biến đổi từ hệ tọa độ αβ sang dq

f   cos r
f   
    sin r

 sin r  f d 
cos r  f d 

(1.3)

sin r  f  
 
cos r   f 

(1.4)

Biến đổi ngược dq sang αβ

f d   cos r
f     sin 
r
 d 


11
Biến đổi a, b, c sang d, q ngược lại

2
2 

) cos(r  ) 
3
3
 fa 
2
2   
 sin(r  )  sin(r  ) f b 
3
3 
  f c 
1
1


2
2


 cos r

f d  2 
f     sin r
 q 3
 1
 2

cos(r 




 cos r

 sin r
fa  

f    cos(  2 )  sin(  2 )  f d 
 
r
r
 b 
3
3  f q 
 f c  
2
2 
cos(r  )  sin(r  ) 
3
3 


(1.5)

(1.6)

Với f điện áp, dòng điện và từ thông.
Phương trình của động cơ trong các hệ tọa độ
Phương trình điện áp trong hệ tọa tọa (a, b, c)
Sử dụng định luật Kirchhoff2, chúng ta có 3 phương trình vi phân. Trường hợp
riêng cho từng dây quấn stator, các phương trình cân bằng điện áp như sau:
d as

dt
d bs
v bs  R si bs 
dt
d
v cs  R si cs  cs
dt
v as  R si as 

(1.7)

Viết dưới dạng ma trận như sau:

 vas   R s
v    0
 bs  
 vcs   0

0
Rs
0

0   i as 
  as 
d 



0  i bs    bs 
dt

  cs 
R s   i cs 
d
dt

 Vabcs    R s  Iabcs    abcs 

(1.8)


12
Trong đó các từ thông 𝛹as, 𝛹bs, 𝛹cs, được xác định như sau:

 as  Lasi as ()  M absi bs ()  M acsi cs ()
 bs  M basi as ()  L bsi bs ()  M bcsi cs ()

(1.9)

 cs  M casi as ()  M cbsi bs ()  M csi cs ()
Viết vectơ từ thông dưới dạng ma trận
  as   Lasi as ()  M absi bs ()  M acsics ()  ias 
    M i ()  L i ()  L i ()  i 
bs bs
bcs cs
 bs   bas as
  bs 
  cs   M casi as ()  M cbsi bs ()  Lcsi cs ()  i cs 

(1.10)

Với [L] là ma trận điện cảm, ma trận điện cảm này phụ thuộc vào vị trí góc θ là
góc lệch giữa hệ tọa độ αβ và hệ tọa độ dq.
Trong đó các hệ số điện cảm Lx và hỗ cảm Mxy biểu diễn như sau:
La     L f  L 0  L 2 cos(2)

2
)
3
2
Lc     L f  L 0  L 2 cos(2  )
3
L b     L f  L 0  L 2 cos(2 

2
)
3
2
M ac    M ca  M 0  M 2 cos(2  3 )
M bc    M cb  M 0  M 2 cos(2)

M    M
ab

với

M

0



1
và
2 L0

M L
2

ba

 M 0  M 2 cos(2 

2

Phương trình của động cơ trong hệ tọa độ (α,β)
Phương trình điện áp trong hệ tọa độ stator dq

Hình 1.6 Hệ tọa độ αβ-dq

(1.11)


13
Phương trình điện áp động cơ trong hệ tọa độ αβ
 v 
 1 0  i   d    
 v   Rs 
   
0 1   i  dt   
 

(1.12)

Trong trường hợp Vα, Vβ, iα, iβ, ψα và ψβ là điện áp, dòng điện và từ thông trong hệ
tọa độ.
Phương trình từ thông trong hệ quy chiếu (α, β) có thể được tính như sau:
a    va  R si   dt

(1.13)

    v  R si   dt

(1.14)

s   2  2

(1.15)

Moment động cơ đồng bộ từ trở trong hệ tọa độ αβ được tính như sau:

3
Te  P   i  i 
2

(1.16)

Với P là số cực của động cơ
Công thức chuyển đổi hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq và ngược lại
Phương trình trong hệ tọa độ quay d-q
Phương trình điện áp và Moment trong hệ quy chiếu dq được viết lại như sau:

 vd   R s  pLd
v   
 q   Ld

Lq  id 
 
R s  pLd  iq 

(1.17)

Trong đó p toán tử vi phân d/dt, ω là vận tốc góc điện, Ld và Lq là điện cảm trục d
và trục d được tính như sau:

3

L

L

 L0  L 2 
d
f

2

Lq  L  3  L  L 
f
0
2


2

(1.18)


14
Mô phỏng phương trình điện trên matlab simulunk

Hình 1.7 Phương trình điện áp trên simulink
Mô ment của động cơ trong hệ tọa độ dq quy được viết lại như sau:

3
Te  P(Ld  Lq )i di q
2

(1.19)

Với 𝛹 d= Ldid và 𝛹q= Lqiq. Do đó (1.19) được viết lại như sau:

3
Te  P( di q   qid)
2
Mô phỏng phương trình moment trên trên matlab simulink

Hình 1.8 Phương trình moment trên matlab simulink

(1.20)

15
Mô phỏng động cơ đồng bộ từ trở

Hình 1.9 Động cơ đồng bộ từ trở trên Simulink
Các sơ đồ điều khiển động cơ từ trở
Vấn đề chung về điều khiển vectơ
Trong sơ đồ điều khiển vectơ động cơ đồng bộ từ trở, bộ nghịch lưu là điều chế độ
rộng xung nguồn áp, bộ đo vị trí sử dụng encoder để xác định chính xác vị trí của rotor.
Các đại lượng điều khiển được thực hiện trong tọa độ (dq), sau đó được đưa qua các
khâu biến đổi chuyển thành các đại lượng ba pha điều khiển bộ điều khiển độ rộng xung.
Các đại lượng dòng điện được đo được là sử dụng các khâu biến đổi để biến đổi thành
các đại lượng dòng điện trong tọa độ (dq).

Hình 1.10 Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động ĐCĐBTT
Với giả thiết bỏ qua thành phần moment đập mạch nên sơ đồ điều khiển này không
đề cập tới việc bù các thành phần moment này. Cũng vì giả thiết rằng thành phần
moment phản kháng là không đáng kể nên trong sơ đồ này thành phần dòng điện theo
trục d, id coi như bằng không. Các bộ điều khiển dòng điện ở đây thường sử dụng bộ
điều chỉnh PI nhằm khử sai lệch tĩnh. Phương pháp điều khiển vectơ với bộ điều khiển