Điều khiển động cơ không đồng bộ theo nguyên lý định hướng từ thông rotor gián tiếp và thay thế một số khâu điều khiển bằng mạng neuron

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------o0o-----LÊ THỊ THANH HOÀNG

ỨNG DỤNG MẠNG NEURAL ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR TỪ
THÔNG ROTOR GIÁN TIẾP
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ NGÀNH: 2.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2002



Đại Học Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghóa Việt Nam
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên
Ngày tháng năm sinh
Chuyên ngành:
I- TÊN ĐỀ TÀI:

: Lê Thị Thanh Hoàng Phái : Nữ
: 04/01/1974

Nơi sinh : Tiền Giang
Kỹ Thuật Điện

Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp định hướng
từ thông rotor gián tiếp và thay thế một số khâu điều khiển bằng
mạng neuron

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1.
2.
3.
4.
5.

Xây dựng sơ đồ mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha
Xây dựng khâu điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp
Điều khiển dòng AC
Điều khiển dòng DC
Thay thế một số khâu điều khiển bằng mạng neuron
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
20/05/2002
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/12/2002
V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Tiến Sỹ Phan Quốc Dũng
VI- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………

VII- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2:

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………
CÁN BỘ HƯỚNG ĐẪN CÁN BỘ NHẬN XÉT 1 CÁN BỘ NHẬN XÉT 2

Tiến Sỹ Phan Quốc Dũng
Nội dung luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày tháng năm 200
TRƯỞNG PHÒNG QLKH-SĐH
CHỦ NHIỆM NGÀNH

Tiến Sỹ Nguyễn Hữu Phúc


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến Tiến Sỹ Phan Quốc
Dũng, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực
hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Điện
Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, Các Cán Bộ Phòng QLKH
– SĐH đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học và hoàn
thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Điện
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, bạn bè và đồng
nghiệp đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn
thành luận văn này.
Cuối cùng, tôi muốn cảm ơn thật nhiều Cha Mẹ, hai chị Huy,
Phước, em Ngọc Anh, và Chồng tôi, những người luôn ở bên tôi
và động viên tôi rất nhiều để tôi có thể hoàn thành khóa học này.

Lê Thị Thanh Hoàng


MỤC LỤC
Chương 1: Giới thiệu
Trang
1.1. Tổng quan
3
1.2. Khái quát về phương pháp điều khiển theo hướng định trường
4
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án
4
1.4. Phương pháp nghiên cứu
5
1.5. Điểm mới của luận án
5
1.6. Giá trị thực tiễn của đề tài
5
1.7. Nội dung của luận án
5
Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha trong
Matlab/Simulink.
6
2.1. Cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha
6
2.2. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ stator
13
2.3. Xây dựng khối mô phỏng động cơ không đồng bộ bằng
Matlab/Simulink.
14

2.4. Nguyên lý điều khiển vector theo định hướng từ thông rotor
16
2.5. Hệ thống điều khiển vector từ thông rotor gián tiếp
20
Chương 3: Điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo định hướng từ thông rotor gián
tiếp bằng các khâu hiệu chỉnh dòng
23
3.1. Khâu hiệu chỉnh dòng xoay chiều
23
3.2. Khâu hiệu chỉnh dòng DC
43
Chương 4: Mạng neuron và ứng dụng điều khiển động cơ không đồng bộ
57
4.1. Khái niệm về mạng neuron
57
4.2. Mô hình kết nối của các mạng neuron nhân tạo
59
4.3. Nhận dạng mô hình bằng mạng neuron
61
4.4. Huấn luyện mạng
64
4.5. Huấn luyện các khâu PI, relay và switch-table
66
4.6. Các kết quả mô phỏng theo phương pháp hiệu chỉnh dòng AC
68
4.7. Các kết quả mô phỏng theo phương pháp hiệu chỉnh dòng DC
91
4.8. Nhận xét chung
115
Kết Luận

Luận án cao học

3

1.LỜI GIỚI THIỆU
1.1. TỔNG QUAN
Trước sự thâm nhập vũ bão của kỹ thuật vi tính, đặc biệt là kỹ thuật vi
xử lý tín hiệu đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp điều khiển
động cơ xoay chiều ba pha trong điều kiện thời gian thực với chất lượng
điều khiển rất cao. Và yêu cầu ngày càng cao trong việc điều khiển chính
xác dòng cơ năng tạo nên các chuyển động phức tạp của dây chuyền công
nghệ, do đó các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ cổ điển hầu như
không đáp ứng được. Vì thế, truyền động điện hiện đại ứng dụng các kiến
thức mới nhất của lý thuyết tự động điều khiển, các tiến bộ của công nghệ
vi điện tử và vi tính, nhằm gán cho động cơ các tính năng cao, đáp ứng
được các đòi hỏi mới của quá trình tự động hóa đặt ra cho thiết bị truyền
động.
Một tiến bộ đáng kể trong việc phát triển lý thuyết điều khiển động cơ
không đồng bộ ba pha là phương pháp định hướng trường (field – oriented
control) [1],[2],[3],[4], trong đó định hướng trường rotor gián tiếp là phương
pháp được ứng dụng nhiều trong công nghiệp do tính khả thi. Tuy nhiên, có
hai nhược điểm mà phương pháp này mang lại. Thứ nhất phương pháp này
nhạy cảm đối với sự thay đổi thông số của động cơ, chủ yếu là điện trở và
điện kháng rotor do sự thay đổi của nhiệt độ và độ bảo hòa của mạch từ.
Nhược điểm thứ hai là, mặc dù về lý thuyết có thể tách ly hai thành phần của
dòng điện stator, thành phần tạo từ thông và thành phần tạo moment. Nhưng
việc thực hiện bộ nghịch lưu bán dẫn gây ra sự tương tác giữa hai thành phần
này, và do đó không đảm bảo hoàn toàn tính tách ly (decouple) của hai thành

phần này.
Để giải quyết vấn đề trên, một mặt nhiều nghiên cứu cải tiên mô hình
tuyến tính cục bộ bằng mô hình tuyến tính toàn phần khi xây dựng phương
pháp định hướng trường [4]. Mặt khác, một số phương pháp điều khiển phi
tuyến được xây dựng như phương pháp điều khiển theo chế độ trượt (slidingmode control) [5],[6], điều khiển dựa trên tính chất thụ động của hệ
(passivity-based control) [7].
Để giải quyết nhược điểm nhạy cảm với thông số động cơ cũng như
của hệ thống, nhiều phương pháp điều khiển thích nghi được áp dụng vào việc
điều khiển động cơ không đồng bộ [8],[9],[10],[11]. Các phương pháp này
cũng thu được một số kết quả nhất định.
Một trong những phương hướng để giải quyết bài toán điều khiển động
cơ không đồng bộ ba pha là phương hướng ứng dụng mạng neuron. Nhiều
1.Giới thiệu


Luận án cao học

4

nghiên cứu qua các công trình công bố trên các tạp chí cho thấy có 3 phương
hướng ứng dụng.
1. Bổ sung cho các phương pháp điều khiển vô hướng nhằm làm cho
hệ điều khiển được tối ưu hơn, đáp ứng sự phức tạp của hệ điều
khiển đối với một hệ phi tuyến phụ thuộc nhiều thông số.
2. Cải tiến phương pháp điều khiển định hướng trường nhằm làm cho
hệ có đặc tính động tốt hơn, bền vững đối với sự thay đổi thông số
của động cơ, và phụ tải.
3. Cải tiến phương pháp điều khiển moment trực tiếp (Direct Torque
Control) nhằm làm cho hệ điều khiển có tính năng tốt hơn .

1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án
1.2.1 Mục tiêu
Mục tiêu điều khiển bao gồm :
- Điều khiển tốc độ ra ổn định theo định hướng từ thông rotor.
- Hiệu chỉnh dòng ac và dc để tốc độ ổn định.
- Thay thế các khâu hiệu chỉnh dòng bằng mạng neuron.
1.2.2. Các nhiệm vụ cụ thể
Luận văn sẽ thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Xây dựng mô hình mô phỏng và thuật toán điều khiển.
- Trình bày sơ đồ điều khiển theo định hướng từ thông rotor gián tiếp.
- Điều khiển dùng mạng neuron để thay thế các khâu hiệu chỉnh
dòng và khâu PI.
1.3. Phương pháp nghiên cứu:
Khi giải quyết các bài toán trên đã sử dụng các phương pháp chuyển
trục và ma trận. Để kiểm tra các tính toán và dựng các đồ thị, sử dụng phần
mềm mô phỏng Matlab/Simulink.
1.4. Điểm mới của luận án
- Nghiên cứu thay thế khâu PI bằng mạng neuron.
- Nghiên cứu thay thế các khâu hiệu chỉnh dòng bằng mạng neuron.
1.5. Giá trị thực tiễn của đề tài:
Nghiên cứu có thể được sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên
đại học và cao học trong việc đào tạo kỹ sư và thạc só chuyên ngành kỹ thuật
điện.
1.6. Nội dung của luận án:
Luận văn gồm các phần sau:
Chương 1: Khái quát về điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ,
phương pháp điều khiển theo định hướng trường.
1.Giới thiệu

Luận án cao học

5

Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ trong
Matlab/ Simulink và phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor.
Chương 3: Chương này trình bày nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ
không đồng bộ ba pha theo định hướng từ thông rotor gián tiếp bằng các khâu
hiệu chỉnh dòng, và các kết quả mô phỏng.
Chương 4: Trình bày nguyên lý điều khiển dùng mạng neuron NN, thay
thế một số khâu điều khiển bằng mạng neuron và các kết quả mô phỏng.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.

1.Giới thieäu


Luận án cao học

6

2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TRONG
MATLAB/SIMULINK
2.1. Cơ Sở Lý Thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha:
Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính
xác đến mức tối đa đối tượng điều chỉnh. Xuất phát điểm để xây dựng mô
hình toán học cho động cơ không đồng bộ là mô hình đơn giản của động cơ
trong hình 2.1.

Hình 2.1 Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc.
Mô hình ở đây chỉ để phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều
chỉnh. Điều đó dẫn đến một số điều kiện được giả thiết khi lập mô hình:
- Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian.
- Các tổn hao sắt từ và sự bão hoà từ có thể bỏ qua.
- Dòng từ hoá và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.
- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi.
2.1.1. Các phép biến đổi toạ độ:
Vector không gian trong hệ toạ độ Stator (d_q), hệ tọa độ stator là một
hệ tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây pha a của động cơ, ta có thể xây
dựng vector không gian như sau:
Dòng điện đi vào stator động cơ không đồng bộ 3 pha có dạng:

2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink


Luận án cao học

7

i as ( t ) = Im sin( ω s t )

(2.1)

ibs ( t ) = Im sin( ω s t + 120 ο )
i cs ( t ) = Im sin( ω s t + 240 ο )

Do đó có thể dựng một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây
pha a của động cơ. Định nghóa a = e j120 và vector không gian của dòng điện
stator như sau:

ο

s

is =
=

2
(i a + ai b + a 2 i c )
3

(

2
i as [cos( 0 0 ) + j sin(0 0 )] + ibs [cos(120 0 ) + j sin(120 0 )] + i cs [cos( −120 0 ) + j sin( −120 0 )]
3

(

2
i as − (1/ 2)ibs − (1/ 2)i cs + j[( 3 / 2)ibs − ( 3 / 2)i cs ]
3
2
= (i sds + ji sqs )
3

=

)

(2.2)

Ta có được phép chuyển đổi từ hệ trục tọa độ abc (ba pha động cơ)
sang hệ trục toạ độ cố định (stator) dq:
⎡
⎡i sds ⎤ 2 ⎢ 1
⎢s ⎥= ⎢
⎣⎢i qs ⎦⎥ 3 ⎢0
⎣⎢

−1
2
3
2

− 1 ⎤ ⎡i ⎤
as
2 ⎥ ⎢i ⎥
⎥
3 ⎥ ⎢ bs ⎥
−
⎢i ⎥
2 ⎦⎥ ⎣ cs ⎦

(2.3)

Do ias+ibs+ics= 0, ta được ma trận chuyển đổi abc sang dq:
⎡
⎢1
⎡i ⎤

⎢
⎢ ⎥ 2⎢
i
=
⎢ ⎥ 3 ⎢0
⎢0⎥
⎢1
⎣ ⎦
⎢
⎣
s
ds
s
qs

−1
2
3
2
1

−1 ⎤
2 ⎥ ⎡i ⎤
⎥ as
− 3 ⎥⎢ ⎥
ibs
2 ⎥⎢ ⎥
1 ⎥ ⎢⎣ics ⎥⎦
⎥
⎦

(2.4)

Phép chuyển đổi ngược dq sang abc:
Do ias+ibs = -ics nên:
⎡ 2
⎤
0 ⎥
⎢
⎡i as ⎤
⎢ 3
⎥
1 ⎥ ⎡i sds ⎤
⎢i ⎥ = 3 ⎢ − 1
⎢s ⎥
⎢ bs ⎥ 2 ⎢ 3
3 ⎥ ⎣i ds ⎦
⎢⎣i cs ⎥⎦
⎢ 1
1 ⎥
⎢−
⎥
−
3 ⎦⎥
⎣⎢ 3

(2.5)

2. Xaây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink

)


Luận án cao học

8

Theo lý thuyết toán học về phép chuyển hệ tọa độ, áp dụng cho trường
hợp hai hệ tọa độ: một của stator; một của rotor có cùng một gốc tọa độ và hai
hệ này quay tương đối với nhau bởi tốc độ góc ω , lệch nhau một góc θr . Ta
được phép chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định stator (dq) sang hệ tọa độ quay
rotor (DQ) có dạng:
e
⎡iDS
⎤ ⎡ cos( θ r ) sin( θ r ) ⎤ ⎡i sds ⎤
⎢e ⎥=⎢
⎥⎢ s ⎥
⎣i QS ⎦ ⎣− sin( θ r ) cos( θ r )⎦ ⎢⎣i qs ⎥⎦

(2.6)

Ngược lại, ta có phép chuyển đổi từ DQ sang dq:
e
⎡i sds ⎤ ⎡cos( θ r ) − sin( θ r )⎤ ⎡iDS
⎤
⎢s ⎥=⎢
⎢e ⎥
⎥
⎣⎢i qs ⎦⎥ ⎣ sin( θ r ) cos( θ r ) ⎦ ⎣i QS ⎦

(2.7)

Trong đó, góc θr xác định theo hình vẽ 2.2:

Hình 2.2: Hệ tọa độ chuyển đổi
Từ hình vẽ trên cho thấy vector is sẽ quay đồng bộ với hệ trục D_Q
quanh điểm góc θr , còn các vector theo trục D và Q là các đại lượng một
chiều.
2.1.2. Phương trình điện áp và dòng điện động cơ trong hệ toạ độ
stator (dq):
Từ các phương trình điện áp trên 3 dây quấn stator :
dλ as
dt
dλ bs
= i bsR s +
dt
dλ
= i csR s + cs
dt

v as = i asR s +

(V)

v bs

(V)

v cs

(V)

Với vas , vbs , vcs là điện áp trên 3 dây quấn pha stator
2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink


Luận án cao học

9

λas , λbs , λcs là từ thông móc vòng trên 3 dây quấn stator.
Rs là điện trở dây quấn pha stator
Nếu dùng cách biểu diễn vector khoâng gian :
v ss =

0
0
2
[ v as + v bs e j120 + v cs e j240 ]
3

Thay các điện áp pha vào, ta được :
d λss
dt

v ss = issR s +
2
3

(V)

(2.8)

Trong đó : iss = [i as + ibs e j120 + i cs e j240 ] laø vector không gian dòng điện stator
λss =

0

0

0
0
2
[λ as + λ bs e j120 + λ cs e j240 ] laø vector không gian từ thông stator.
3

Tương tự ta có thể xây dựng phương trình điện áp của dây quấn rotor :
v rr = irr R rr +

ν=

d λrr
dt

(V)

(2.9)

Ns
Nr

R rr =

1
Rr
ν2

Trong đó:
R rr : điện trở cuộn dây rotor

Ns :tổng số vòng dây quấn stator
Nr :tổng số vòng dây quấn rotor.
ν : tỷ số giữa số vòng dây quấn stator và dây quấn rotor.

Rr : điện trở rotor quy đổi về stator.
Dòng điện rotor quy đổi về stator:
e jθ 0 r
i =
ir
ν
s
r

(2.10)

θ 0 = ∫ ω 0 dt

Với θ 0 :là độ dịch chuyển góc của rotor
ω0 : tốc độ của động cơ

Và điện áp rotor, từ thông rotor qui đổi sang hệ toạ độ stator dq:

2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink


Luận án cao học

10

e − jθ 0
R r i rs
ν
v rs = ν.e jθ0 v rr

R rr i rr =

jθ 0

(2.11)

λ = ν.e λ
s
r

r
r

Thực hiện các phép biến đổi toán học, ta được:
d λrr
d ⎛ e − jθ0 s ⎞ 1 ⎛ de − jθ0 s d λsr − jθ0 ⎞ 1 ⎛ −iθ0 d( − jθ 0 ) s d λsr − jθ0 ⎞

e ⎟⎟ = ⎜⎜ e
e ⎟⎟
λr +
λr +
= ⎜⎜
λ r ⎟⎟ = ⎜⎜
dt
dt ⎝ ν
dt
dt
dt
⎠
⎠ ν⎝
⎠ ν ⎝ dt
⎞
d λrr e − jθ0 ⎛ d λsr
⎜
=
− jω0 λsr ⎟⎟
⎜
dt
ν ⎝ dt
⎠

(vì

dθ 0
= ω0 )
dt

(2.12)

Thay phương trình (2.11) và đạo hàm của từ thông (2.12) vào biểu thức điện
áp rotor (2.9), ta được:
d λsr
v =R i +
− jω0 λsr
dt
s
r

Đặt: s =

s
r r

(2.13)

d
, và thế vào các phương trình ở trên , cuối cùng biểu thức điện áp
dt

stator và rotor đã qui đổi như sau:
v ss = R s iss + s λss

(2.14)

v rs = R r irs + ( s − jω 0 )λsr

(2.15)

Các vector từ thông stator, rotor được viết dưới dạng ma trận:
⎡ λss ⎤ ⎡ L s
⎢ s⎥ = ⎢
⎣ λ r ⎦ ⎣L m

L m ⎤ ⎡ iss ⎤
⎢ ⎥
L r ⎥⎦ ⎣ irs ⎦

(2.16)

: Hỗ cảm giữa rotor và stator.
Lm
Ls= Lm + Lσs
: Điện cảm stator.
Lr = Lm + Lσr
: Điện cảm rotor.
Lσs : Điện kháng tản của dây quấn stator.
: Điện kháng tản của dây quấn rotor.
Lσr
Tương tự, ta được phương trình điện áp dạng ma trận:

Với

⎡ v ss ⎤ ⎡ R s + pL s
⎢ s⎥ = ⎢
⎣ v r ⎦ ⎣( s − jω 0 )L m

sL m

⎤ ⎡ iss ⎤
⎢ ⎥
R r + ( s − jω 0 )L r ⎥⎦ ⎣ irs ⎦

(2.17)

Ta taùch vector v ss và v rs thành hai thành phần dq ta được:
v ss = (R s + sL s )(i sds + ji sqs ) + sL m (i sdr + ji sqr )
= (R s + sL s )i sds + sL mi sdr + j[(R s + sL s )i sqs + sL mi sqr

(2.18)

2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink


Luận án cao học

11

Hoặc có thể viết :
v sds = (R s + sL s )i sds + sL m i sdr

(2.19)

v sqs = (R s + sL s )i sqs + sL mi sqr

(2.20)

Tương tự cho v rs ta được :
v sdr = sL mi sds + ω0L mi sqs + (R r + sL r )i sdr + ω0L r i sqr

(2.21)

v sqr = −ω0L mi sds + sL mi sqs − ω0L r i sdr + (R r + sL r )i sqr

(2.22)

Phương trình điện áp của động cơ có thể viết lại dưới dạng ma trận sau :
⎡v sds ⎤ ⎡R s + sL s
⎢ s ⎥ ⎢
0
⎢v qs ⎥ = ⎢
s
⎢ v dr ⎥ ⎢ sL m
⎢ s ⎥ ⎢
⎣⎢ v qr ⎦⎥ ⎣ − ω 0L m

0
R s + sL s

sL m
0

ω0L m

R r + sL r
− ω0L r

sL m

⎡v sds ⎤ ⎡ R s
⎢ s ⎥ ⎢
⎢v qs ⎥ = ⎢ 0
⎢ v sdr ⎥ ⎢ 0
⎢ s ⎥ ⎢
⎢⎣ v qr ⎥⎦ ⎣− ω0L m

0
Rs
ω0L m

⎡L s
⎢0
+⎢
⎢L m
⎢
⎣0

⎡i sds ⎤
0⎤
⎢ ⎥
L m ⎥⎥ d ⎢i sqs ⎥
.
0 ⎥ dt ⎢i sdr ⎥
⎢s ⎥
⎥
Lr ⎦
⎢⎣i qr ⎥⎦

0

Lm

Ls
0

0
Lr

Lm

0

0

0
0
Rr
− ω 0L r

⎤ ⎡i sds ⎤
⎥ ⎢i s ⎥
⎥ ⎢ qs ⎥
ω 0L r ⎥ ⎢i sdr ⎥
⎥⎢ ⎥
R r + sL r ⎦ ⎣⎢i sqr ⎦⎥
0
sL m

0 ⎤ ⎡i sds ⎤

⎢ ⎥
0 ⎥⎥ ⎢i sqs ⎥
ω0L r ⎥ ⎢i sdr ⎥
⎥⎢ ⎥
R r ⎦ ⎢⎣i sqr ⎥⎦

(2.23)

(2.24)

Phương trình điện áp có thể viết lại dưới dạng dòng điện như sau:
⎞
⎛ ⎡ Lr
0
0 ⎤ ⎡v sds ⎤
− Lm
⎟
⎜
⎥ ⎢v s ⎥
⎟
⎜⎢ 0
L
0
L
−
r
m ⎥ ⎢ qs ⎥
⎢
+
⎟

⎜
s
0
Ls
0 ⎥ ⎢ v dr ⎥
⎡i sds ⎤
⎟
⎜ ⎢− L m
⎥⎢ s ⎥
⎢
⎢s ⎥
⎟
⎜
0
L
0
L
v
−
⎢ qr ⎦⎥
m
s ⎦⎣
d ⎢i qs ⎥ 1 ⎜ ⎣
⎟
=
s
2
dt ⎢i sdr ⎥ L2σ ⎜ ⎡ − R L
⎟
⎤

⎡
⎤
i
L
R
L
L
L
ω
ω
ds
s r
0 m
r m
0 r m
⎢s ⎥
⎟
⎜ ⎢
⎥
⎢
⎥
s
2
⎢⎣i qr ⎦⎥
R r L m ⎥ ⎢i qs ⎥ ⎟
− R sL r
− ω0L r L m
⎜ ⎢ − ω0L m
s
⎜+ ⎢ R L

− ω0L sL m
− RrL s
− ω0L sL m ⎥ ⎢i dr ⎥ ⎟
⎜ ⎢ s m
⎢
⎥ s ⎥ ⎟⎟
⎜ ⎢ω 0 L s L m
R
L
L
L
R
L
ω
−
s m
0 s r
r s ⎥
⎦ ⎢⎣i qr ⎥⎦ ⎠
⎝ ⎣

(2.25)

Với L σ = L sL r − L2m
Phương trình cân bằng moment của động cơ có dạng :

2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink


Luận án cao học

12

Te = TL +
Với:

J
P
ω0
TL
Te

J dω0
P dt

: Moment quán tính.
: Là số đôi cực của động cơ.
: Là tốc độ của động cơ.
: Moment tải.
: Moment điện từ.

Khi động cơ là loại rotor lồng sóc phương trình (2.16) và (2.17) có thể
được viết lại :
(2.26)
λss = Ls. iss + Lm. irs
λsr = Lm. iss + Lr. irs

(2.27)

v ss = R s iss + s λss

(2.28)

0 = R r irs + ( s − jω0 )λsr

(2.29)

Te =

Vì

P
L m (i sqs i sdr − i sds i sqr )
3

(2.30)

trong đó chỉ số “s” ở trên chỉ hệ quy chiếu stator.

Ls= Lm + Lσs : Điện cảm stator.
Lr = Lm + Lσr : Điện cảm rotor.
Với
Lm : Hỗ cảm giữa rotor và stator.
Lσs : Điện kháng tản của dây quấn stator.
Lσr
: Điện kháng tản của dây quấn rotor.
Phương trình (2.26) và (2.27) có thể viết lại:
λss = L σs iss + L m ( iss + irs )

(2.31)

λsr = L σr irs + L m ( iss + irs )

(2.32)

Từ các phương trình trên, ta có được mô hình tương đương của động cơ không
đồng bộ ba pha rotor ngắn mạch (lồng sóc)

2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink


Luận án cao học

13

Hình 2.3: Mạch tương đương của động cơ không đồng bộ.
2.2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG
HỆ TỌA ĐỘ STATOR
Từ phương trình (2.27) ta coù :
irs =

1 s
( λ r − L m iSs )
Lr

(2.33)

Thay phương trình (2.33) vào phương trình (2.30) ta được :
Te =

P Lm s s
(i qs λ dr − i sds λsqr )
3R r τ r

(2.34)

với τ r = L r / R r : hằng số thời gian rotor
Thay phương trình (2.33) và hằng số thới rotor τ r vào phương trình
(2.29) ta được :
s λsr =

1
[L m iss − (1 − jω0 τ r )λsr ]
τr

(2.35)

Từ phương trình (2.35) ta tách ra thành hai thành phần dq ta được :
s( λsdr + jλsqr ) =

1
[L m (i sds + ji sqs ) − (1 − jω0 τ r )(λsdr + jλsqr )]
τr

1 L
1
λsdr = ( m i sds − λsdr − ω0 λsqr )
s τr
τr

(2.36)

1 L
1
λsqr = ( m i sqs − λsqr + ω0 λsdr )
s τr
τr

(2.37)

Từ các phương trình (2.36) và (2.37) có thể viết lại như sau:

2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink


Luận án cao học

14

λsdr =

1
[L mR r i sds − ω0L r λsqr ]
L r .s + R r

(2.38)

λsqr =

1

[L mR r i sqs + ω0L r λsdr ]
L r .s + R r

(2.39)

Từ các phương trình (2.28) – (2.39)ta xây dựng được mô hình của động
cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ stator.
2.3. XÂY DỰNG KHỐI MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
BẰNG MATLAB/SIMULINK .
Để chứng minh cho các kết quả khảo sát, ta dùng chương trình
Matlab/Simulink để xây dựng các khối của hệ điều khiển.
Khối động cơ không đồng bộ được xây dựng dựa vào các phương trình
(2.28),(2.34), (2.38), (2.39) trong hệ tọa độ stator. Khối động cơ có dạng như
sau:

Hình2.4. Mô hình động cơ không đồng bộ
Trong đó sơ đồ cụ thể được biểu diễn trong hình 2.5.
Mô hình động cơ được xây dựng trên hệ tọa độ stator theo các phương
trình (2.28) – (2.39), trong đó chia làm 2 khối chính :
-

Khối xác định dòng stator, từ thông stator và rotor.

-

Khối xác định tốc độ, góc quay theta và moment động cơ.

2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink

Luận án cao học

15

Hình 2.5.Sơ đồ chi tiết khối xác định dòng stator,từ thông stator và
rotor

Hình 2.6. Khối xác định tốc độ, góc quay theta và moment động cơ.

2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink


Luận án cao học

16

2.4. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VECTOR THEO ĐỊNH HƯỚNG TỪ
THÔNG ROTOR
Ta biết rằng cơ sở của việc thực hiện các hệ thống truyền động điện
xoay chiều ba pha hiện đại là phương pháp tựa theo từ thông rotor. Để điều
khiển theo phương pháp tựa theo từ thông rotor ta cần biết hướng (biết góc
pha, còn được gọi là góc tựa) của vector từ thông rotor.
Điều khiển vector nghóa là điều khiển độc lập từ thông và moment. Bởi
vì sự thay đổi từ thông thì chậm, đặc biệt với điều khiển dòng, nếu giữ từ
thông bằng hằng số sẽ sinh ra đáp ứng moment nhanh và đáp ứng tốc độ cũng
nhanh. Khi điều khiển từ thông cần chú ý đến hiện tượng bảo hòa từ và tổn
hao sắt ở chế độ non tải.
2.4.1 Mối Liên Hệ Giữa Hệ Tọa Độ Stator dq(Đứng Yên) Và Hệ
Tọa Độ Quay DQ(Kích Từ)
Mục này trình bày các phép biến đổi ngược từ hệ tọa độ stator dq(đứng

yên) sang hệ tọa độ kích từ (quay)DQ.
Mối liên hệ giữa vector điện áp stator v ss trong hệ tọa độ stator (đứng
yên) và vector điện áp v se trong hệ tọa độ kích từ là:
v ss = v se e jωt

(2.40)

v se = v ss e − jωt

(2.41)

hoặc
Từ phương trình (2.41) ta có :
e
e
v DS
+ jv QS
= ( v sds + jv sqs )[cos(−ωt ) + j sin(−ωt )]

(2.42)

= v sds cos(ωt ) + v sqs sin(ωt ) + j[ −v sds sin(ωt ) + v sqs cos(ωt )]
Vậy ta có phép biến đổi từ dq → DQ (từ hệ tọa độ stator sang hệ tọa độ kích
từ)
e
⎡ v DS
⎤ ⎡ cos( ωt ) sin( ωt ) ⎤ ⎡v sds ⎤
⎢ e ⎥=⎢
⎥⎢ s ⎥
⎣ VQS ⎦ ⎣− sin( ωt ) cos( ωt )⎦ ⎢⎣v qs ⎥⎦

(2.43)

Phép biến đổi ngược DQ → dq :
e
⎡ v sds ⎤ ⎡cos( ωt ) − sin( ωt )⎤ ⎡ v DS
⎤
=
⎢ s ⎥ ⎢
⎢ e ⎥
⎥
⎢⎣ v qs ⎥⎦ ⎣ sin( ωt ) cos( ωt ) ⎦ ⎣ VQS ⎦

(2.44)

Phương trình điện áp và dòng điện được viết lại trong hệ tọa độ kích từ :

2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink


Luận án cao học

17

Từ phương trình (2.8) ta có thể viết lại :
(2.45)

v se e jωt = R s ise e jωt + s λes e jωt

với s = d/dt ta coù :

sλes e jωt =

d λes jωt
e + jωe jωt λes = (s + jω)λes e jωt
dt

(2.46)

Thay s baèng (s + jω) và phương trình (2.46) vào phương trình (2.45) ta được :
(2.47)

v se = R s ise + (s + jω)λes

tương tự cho phương trình (2.15) ta được :
v Re = R r iRe + ( s + jω − jω 0 )λeR = R r iRe + ( s + jωr )λeR

(2.48)

λes = L s ise + L m iRe

(2.49)

λeR = L m ise + L R iRe

(2.50)

với ω : tốc độ đồng bộ
Từ các phương trình (2.47) – (2.50) có thể viết vector không gian điện áp dưới
dạng ma trận trong hệ tọa độ kích từ (DQ) sau:
⎤ ⎡ ise ⎤

⎢ ⎥
R r + (s + jωr )L r ⎥⎦ ⎣ iRe ⎦

⎡ v se ⎤ ⎡R s + (s + jω)L s
⎢ e⎥ = ⎢
⎣ v R ⎦ ⎣ (s + jωr )L m

(s + jω)L m

(2.51)

Hoặc viết dưới dạng D,Q ta có:
e
⎡ v DS
⎤ ⎡R s + sL s
⎢ e ⎥ ⎢
⎢ v QS ⎥ = ⎢ ωL s
e ⎥
⎢ v DR
⎢ sL m
⎢ e ⎥ ⎢
⎢⎣v QR ⎥⎦ ⎣ ωr L m

− ωL s
R s + sL s
− ωr L m
sL m

sL m
ωr L m

R r + sL r
ωr L r

e
⎤
− ωr L m ⎤ ⎡iDS
⎢e ⎥
⎥
sL m ⎥ ⎢i QS ⎥
e ⎥
− ωr L r ⎥ ⎢iDR
⎥⎢ e ⎥
sL r ⎦ ⎢⎣i QR
⎥⎦

(2.52)

e
e
Khi động cơ là loại rotor lồng sóc thì v DS
= v QS
=0

Phương trình moment trong hệ tọa độ kích từ :
Te =

P
e e
e e
L m (i QS

iDR − iDS
i QR )
3

(2.53)

Từ phương trình (50) ta có :
iRe =

1 e
( λ R − L m iSe )
Lr

(2.54)

Thay phương trình (2.54) vào phương trình (2.53) ta được :
2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink


Luận án cao học
Te =

18

P Lm e e
e
(i QS λ DR − iDS
λeQR )
3R r τ r

(2.55)

với τ r = L r / R r : hằng số thời gian rotor
Đối với động cơ rotor lồng sóc v Re = 0 phương trình (2.48) có thể viết lại
(2.56)

R r iRe + (s + jωr )λeR = 0

2.4.2 Điều Kiện Tựa Trường
Từ phương trình (2.55) :

Te =

P Lm e e
(i QS λ DR − i eDS λ eQR )
3R r τ r

Nếu trục D của hệ toạ độ D_Q trùng với trục của từ thông stator λ ss thì thành
phần từ thông trục Q sẽ bằng 0 ( λeQR = 0 ) và biểu thức moment được biểu diễn
lại như sau:
Te =

Với k T =

P Lm e e
e
λ DR i QS = k T λeDR i QS
3R r τ r

P Lm P Lm

=
3R r τ r
3 Lr

(2.57)

(2.58)

Khi thoûa λeQR = 0 và λeDR = const , thì động cơ không đồng bộ ba pha tương tự
bộ biến đổi dòng điện thành moment theo một hàm tuyến tính.
Khi λeQR = 0 ta có sơ đồ đơn giản được cho ở hình (2.7). Ta có sơ đồ đơn
giản hơn nữa bằng cách thay i eDS → λeDR bởi một khâu bậc 1 có hàm truyền:
G(s) =

λ
i

e
DR
e
DS

1
L
Lm
s
= m
=
1 1 τr s + 1
τr

1+ ×
s τr

(2.59)

Sơ đồ khối của động cơ không đồng bộ ba pha điều khiển theo hướng
tựa trường được mô tả ở hình (2.8). Bây giờ đã đạt được việc điều khiển độc
lập từ thông và moment. Trong khi đáp ứng moment với sự thay đổi của dòng
i eQS là tức thời, còn đáp ứng từ thông theo sự thay đổi của dòng i eDS là có quán
tính với thời hằng τr.

2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Boä Trong Matlab/Simulink


Luận án cao học

19

1

τr
e
i DS

Lσ

λeDR

1
s

τr

PLσ
3 Lr

T

e
iQS

Hình 2.7. Sơ đồ khối của động cơ không đồng bộ ba pha với λeQR = 0 .

e
λeDR iQS

e
iQS

kT

T

λeDR
G(s)

e
i DS

Hình 2.8. Sơ đồ khối của động cơ không đồng bộ 3 pha theo định hướng

trường.

Từ phương trình (2.56) ta có :
e
iDR
=

1
(ωr λeQR − sλeDR )
Rr

(2.60)

với s = d/dt
Nếu thỏa điều kiện λeQR = 0 và λeDR = const và sλeDR = 0 , thì i eDR = 0 và
i eR = ji eQR . Lúc đó, λeR = λeDR . Do đó, những vector i eR và λeR là trực giao (hình

2.9) điều này là điều kiện tối ưu trong việc sinh ra moment, tương tự như động
cơ một chiều. Khi nhận dạng ảnh hưởng của góc giữa những vector i eR và λeR
trên moment, góc quay này sẽ được gọi là góc moment.

2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink


Luận án cao học

20

Q
j i eQR

i eR

λeR

D
e
DR

λ

Hình 2.9. Vector từ thông rotor và dòng điện rotor của động cơ KĐB theo
hướng tựa trường

2.5. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỪ THÔNG ROTOR GIÁN
TIẾP
Nếu tốc độ đồng bộ cần thiết để duy trì sự định hướng trực giao của các
vector λeR và i eR trong động cơ ở những điều kiện vận hành cho trước được
định nghóa bởi ω* , thì góc θr có thể được định nghóa như sau:
t

t

t

t

0

0

0

0

θ r = ∫ ω* dt = ∫ ωr* dt + ∫ ω0 dt = ∫ ωr* dt + θ 0

(2.61)

Với θ 0 là độ dịch chuyển góc của rotor, mà nó đo được dễ dàng bằng
cách dùng cảm biến vị trí trên trục.
ωr : tốc độ trượt của động cơ
Giá trị yêu cầu của tốc độ trượt ωr* có thể được tính từ các phương trình
của động cơ theo hướng định trường. Vì λeR = λeDR nên ta có :
iRe =

1 e
(λ DR − L miSe )
Lr

Thay phương trình (2.62) vào phương trình (2.56) ta được:
λeDR [1 + τ r ( s + jωr )] = L m iSe

(2.62)

(2.63)

Tách phần thực và phần ảo của phương trình (2.63) ta có:
2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink

Luận án cao học

21

e
λeDR (1 + τ r s) = L m iDS

(2.64)

e
ωr τ r λeDR = L m i QS

(2.65)

và

e*
Thay ω r bằng ω*r , λeDR bằng λ*r và i eQS bằng i QS
trong pt (2.65) ta được:

ωr* =

e*
L m iQS
τ r λ*r

(2.66)

Ở trạng trạng thái xác lập của động cơ s = 0 từ pt (2.64) ta viết lại

λ*r = L m i eDS*

(2.67)

thay (2.67) vào (2.66) ta được:
ω*r =

e*
1 i QS
τ r i eDS*

(2.68)

Với i eDS* và i eQS* đặt trưng cho các thành phần sinh ra từ thông và moment yêu
cầu của vector dòng stator i *S
Dòng i eDS* tương ứng với từ thông đặt rotor có thể xác định từ phương
trình (2.64)
e*
iDS
=

1 + τr s *
λr
Lm

(2.69)

e*
Trong khi thành phần i QS
được cho bởi moment đặt T*, có thể đạt được

từ pt(2.57) ta có:
i eQS* =

T*
k T λ*r

(2.70)

Với kT là hằng số moment được cho bởi phương trình (2.58).
Hệ thống điều khiển vector đối với động cơ không đồng bộ tựa từ thông
rotor gián tiếp được biểu diễn trong hình 2.10.

*
i DS
1
1 + sτ r
Lm
2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink
*
iQS
1
Te*

λ*r

*

÷

Luận án cao học

22

Hình 2.10. Sơ đồ tách dòng theo phương pháp tựa từ thông rotor
Góc pha θr của vector từ thông rotor được tính bằng cách lấy tích phân
tốc độ trượt ωr* cộng với độ dịch chuyển góc rotor θ0 cho phù hợp với phương
trình(2.61). Trong phương trình(2.68) hằng số thời gian rotor đóng vai trò
quyết định trong phương pháp điều khiển theo hướng tựa trường

λ

*
r

τr

p+

Lm
*

T

e*
i DS

1

τr
e*
iQS

1

ids* dq

DQ

dq

kT λ

*
r

iqs*

abc

θr

÷

ω r*

1
p

ias*

ias

ibs*

ibs

ics*

ics

Nghịch
lưu

θ*

θ0

Hình 2.11. Hệ thống điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp tựa từ thông
rotor gián tiếp.

2. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink