Điều khiển thời gian thực động cơ không đồng bộ 3 pha bằng phương pháp tuyến tính hóa vào ra

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

HUỲNH ĐỖ MINH THIỆN

ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC
ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
BẰNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH
HĨA VÀO RA
CHUN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA
Niên Khóa: 2007

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH – 01/2011


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2:

(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2011.


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

HUỲNH ĐỖ MINH THIỆN

Ngày, tháng, năm sinh :

27/03/1983

Chun ngành :

TỰ ĐỘNG HĨA

Khố (Năm trúng tuyển) :

2007

Giới tính : Nam
Nơi sinh : Tp Đà Nẵng

1- TÊN ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG
PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HĨA VÀO RA.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
•

Xây dựng luật điều khiển tuyến tính hóa vào ra áp dụng cho đối tượng phi tuyến
động cơ khơng đồng bộ ba pha.

•

Tiến hành mơ phỏng điều khiển tuyến tính hóa vào ra động cơ khơng đồng bộ ba
pha trên phần mềm MATLAB.

•

Áp dụng luật điều khiển tuyến tính hóa vào ra trong điều khiển đối tượng thực động
cơ không đồng bộ ba pha.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 1/7/2010.
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 1/1/2010.
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): ........................
PGS.TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa

GVC.TS. Nguyễn Đức Thành

PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

LỜI CẢM ƠN
Xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS Dương Hồi Nghĩa, người
đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận
văn này. Và quan trọng hơn hết, PGS là người đã gợi mở cho tác giả một đề tài, một
hướng nghiên cứu mới mẻ, độc đáo, có tính ứng dụng cao, hoàn toàn phù hợp với
năng lực của tác giả.
Xin cảm ơn bố mẹ của tác giả, những người đã tạo điều kiện thuận lợi tối đa
để tác giả có thể nghiên cứu và hồn thiện luận văn này. Sự giúp đỡ này tuy khơng
mang tính chun mơn nhưng góp phần rất quan trọng đến sự thành cơng của luận
văn.

Bên cạnh đó tác giả xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Điều
Khiển Tự Động đã trang bị cho tác giả những kiến thức quý báu để hoàn thành tốt
luận văn này.
Lời cảm ơn cuối cùng xin dành cho các bạn thuộc lớp cao học TDH 2007. Sự
giúp đỡ của các bạn về mặt chuyên môn là nguồn động lực không nhỏ cho tác giả
trong suốt thời gian qua.
HUỲNH ĐỖ MINH THIỆN


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

Tóm tắt luận văn thạc sĩ
Đề tài đã xây dựng bộ điều khiển tuyến tính hóa vào ra điều khiển động cơ
khơng đồng bộ nuôi bởi bộ nghịch lưu áp ba bậc dạng Diode kẹp điểm trung tính
(Three-level Neutral Point Clamped Voltage Source Inverter – NPC VSI). Bộ điều
khiển này được thiết kế gồm hai phần: Trong phần một, đối tượng động cơ khơng
đồng bộ ba pha sẽ được tuyến tính hóa bằng cách áp dụng lý thuyết tuyến tính hóa
vào ra. Động cơ khơng đồng bộ sau khi được tuyến tính hóa sẽ được điều khiển
bằng các phương pháp điều khiển tuyến tính như: điều khiển tuyến tính tín hiệu sai
lệch, điều khiển tuyến tính dùng phương pháp đặt cực, điều khiển PID, … trong
phần hai. Việc sử dụng nhiều phương pháp điều khiển tuyến tính trên giúp tác giả
thu được nhiều kết quả để có sự so sánh và lựa chọn phương pháp tốt nhất áp dụng
vào điều khiển cho đối tượng thực ĐC KĐB.
Như vậy, điểm mạnh của luận văn này chính là việc tác giả áp dụng bộ
điều khiển tuyến tính hóa vào ra trên trong việc điều khiển đối tượng thực ĐC
KĐB. Kết quả này sẽ tạo tiền đề cho việc áp dụng bộ điều khiển tuyến tính hóa vào
ra trong việc điều khiển cho nhiều đối tượng thực khác.
Đồng thời tác giả cũng tiến hành so sánh kết quả điều khiển của phương
pháp điều khiển tuyến tính hóa vào ra với các phương pháp khác như: Điều khiển
trực tiếp mô-men (DTC), Điều khiển định hướng từ thơng rotor (FOC), Điều khiển

dùng mơ hình nội (IMC), Điều khiển tuyến tính hóa vào ra (IOLC), … Sự so sánh
này sẽ giúp tác giả có kết luận chính xác về ưu khuyết điểm của phương pháp mình.
Và dựa vào đó tác giả sẽ có cơ sở để nâng cao, phát triển đề tài của mình hơn nữa.

.


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

ABSTRACT
This thesis presents an Input Output Linearization controller for induction
motors fed with three-level Neutral Point Clamped (NPC) Voltage Source Inverter
(VSI). This controller is designed in two steps: In the first step, the induction motor
is linearzed by applying the Input Output Linearization theory. In the second step,
the linearzed system is controlled by a linear controller such as: pole placement
controller, PID controller.
A comparision study is carried out with many different controller such as:
Direct Torque Control (DTC), Field Oriented Control (FOC), Internal Model
Control ( IMC), Input Output Linearization Control (IOLC)…
.


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

Mục lục
Trang
Chương 1: Tổng quan
1.1 Đặt vấn đề. ............................................................................................................ 1
1.2 Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ. ........................................ 2
1.2.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp Mô men..................................................... 2

1.2.2 Phương pháp điều khiển định hướng trường .................................................. 5
1.3 Tổng quan về phương pháp điều khiển tuyến tính hóa vào ra ........................... 12
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước.................................................................. 12
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước ................................................................. 12
1.4 Nội dung tóm lược của luận văn......................................................................... 13

Chương 2: Điều khiển tuyến tính hóa vào ra và ứng dụng trong điều
khiển động cơ không đồng bộ
2.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển tuyến tính hóa vào ra. ................................ 15
2.2 Thiết kế bộ điều khiển tuyến tính hóa vào ra ĐC KĐB ..................................... 17
2.2.1 Điều khiển tuyến tính tín hiệu sai lệch.......................................................... 21
2.2.2 Điều khiển tuyến tính dùng phương pháp đặt cực ........................................ 22
2.2.3 Điều khiển PID.............................................................................................. 26
2.3 Bộ ước lượng từ thông rotor và mô - men.......................................................... 28
2.3.1 Bộ ước lượng từ thông rotor ......................................................................... 28
2.3.2 Bộ ước lượng mô – men................................................................................ 31
2.4 Bộ nghịch lưu áp ba bậc và ứng dụng trong điều khiển ĐC KĐB..................... 31
2.4.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................... 31
2.4.2 Tổng quan về các bộ nghịch lưu. .................................................................. 31
2.4.3 Cấu trúc BNL áp ba bậc chứa cặp diode kẹp (Neutral Point Clamped
Multilevel Inverter –NPC) ............................................................................. 32
2.4.4 Giải thuật điều khiển BNL áp ba bậc NPC ................................................... 33
2.4.5 Sơ đồ BNL ba bậc mô phỏng trên Matlab .................................................... 34


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

2.5 Tóm lược chương ................................................................................................ 36

Chương 3: Mô phỏng điều khiển tuyến tính hóa vào ra động cơ khơng

đồng bộ ba pha
3.1 Điều kiện mô phỏng. .......................................................................................... 37
3.1.1 Điều kiện mô phỏng...................................................................................... 37
3.1.2 Mục tiêu điều khiển....................................................................................... 37
3.1.3 Phương pháp tiếp cận.................................................................................... 38
3.1.4 Đánh giá và so sánh ...................................................................................... 38
3.2 Thiết lập đối tượng. ............................................................................................ 38
3.3 ĐK TTHVR với khâu ước lượng vòng hở phương pháp ĐKTT THSL............. 40
3.4 ĐK TTHVR với khâu ước lượng vịng kín phương pháp ĐKTT THSL............ 44
3.5 ĐK TTHVR với khâu ước lượng vòng hở phương pháp ĐK đặt cực................ 48
3.6 ĐK TTHVR với khâu ước lượng vịng kín phương pháp ĐK đặt cực............... 54
3.7 ĐK TTHVR với khâu ước lượng vòng hở phương pháp ĐK PID ..................... 60
3.8 ĐK TTHVR với khâu ước lượng vịng kín phương pháp ĐK PID .................... 64
3.9 ĐK TTHVR với khâu ước lượng vòng hở dạng RR phương pháp ĐK đặt cực 67
3.10 Nhận xét chung ................................................................................................. 76
3.11 Tóm lược chương.............................................................................................. 77

Chương 4: Điều khiển tuyến tính hóa vào ra đối tượng thực động cơ
không đồng bộ ba pha
4.1 Giới thiệu các thiết bị và phần mềm dùng điều khiển đối tượng thực. .............. 78
4.1.1 Giới thiệu card điều khiển DSPACE DS1104 .............................................. 78
4.1.2 Các sơ đồ mạch phần cứng dùng trong luận văn .......................................... 86
4.2 ĐK TTHVR đối tượng thực động cơ không đồng bộ......................................... 93
4.2.1 Sơ đồ điều khiển............................................................................................ 93
4.2.2 Kết quả điều khiển. ....................................................................................... 95
4.2.3 Nhận xét và so sánh với kết quả mơ phỏng .................................................. 99
4.3 Tóm lược chương ............................................................................................ 101

Chương 5: Nhận xét kết quả và hướng phát triển

Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

5.1 Kết quả đạt được ............................................................................................... 102
5.2 Một số hạn chế .................................................................................................. 103
5.3 Hướng phát triển đề tài...................................................................................... 104

Tài liệu tham khảo .......................................................................................106
Phụ lục


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

Danh mục từ viết tắt
ĐC KĐB:

Động cơ không đồng bộ.

ĐK:

Điều khiển

ĐKTT:

Điều khiển tuyến tính

THSL:

Tín hiệu sai lệch

TTHVR:

Tuyến tính hóa vào ra (Input Output Linearization).

DTC:

Điều khiển trực tiếp mô – men (Direct Torque Control).

FOC:

Điều khiển định hướng từ thông (Field Oriented Control).

IMC:

Điều khiển mơ hình nội (Internal Model Control).

SMC:

Điều khiển trượt (Điều khiển mơ hình nội).

NPC:

Diode kẹp điểm trung tính nguồn (Neutral Point Clamped).

PWM:

Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation).

SPWM:

Điều chế độ rộng xung sin (Sine Pulse Width Modulation).

SVPWM:

Điều chế véc-tơ không gian (Space Vector Pulse Width Modulation).


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

Chương 1: Tổng quan
1.1 Đặt vấn đề.
Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) từ khi ra đời đã cho thấy ưu điểm rõ rệt so
với các loại động cơ khác như kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và bảo trì, giá thành thấp,
độ tin cậy cao... Tuy nhiên, do tính phức tạp trong mơ hình tốn nên việc điều khiển
tốc độ động cơ khơng đồng bộ trở nên khó khăn hơn nhiều so với động cơ DC. Ngày
nay, với sự phát triển của điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý đã cho phép áp dụng các
giải thuật điều khiển phức tạp trong thời gian thực điều khiển động cơ không đồng bộ.
Do vậy, nhiều nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã đề xuất nhiều phương pháp điều
khiển động cơ không đồng bộ khác nhau như phương pháp điều khiển tựa trường
(FOC), phương pháp điều khiển trực tiếp moment động cơ (DTC)….Trong những năm
gần đây, nhiều nhà nghiên cứu còn đề xuất nhiều phương pháp điều khiển ĐCKĐB
khác, đặc biệt là các phương pháp điều khiển phi tuyến, có thể kể đến như: Điều khiển
dùng mơ hình nội ( Internal Model Control: IMC), điều khiển trượt (Sliding Mode
Control: SMC), điều khiển tuyến tính hóa vào ra ( Input Output Linearization Control:
IOLC), … Luận văn này chủ yếu nghiên cứu và áp dụng phương pháp điều khiển
tuyến tính hóa vào ra vào việc điều khiển động cơ không đồng bộ.
Mặc dù mỗi phương pháp từ khi xuất hiện đều đã đưa ra những kết quả nhất
định nhưng đa số đều có những khuyết điểm riêng và cần khắc phục hơn nữa nhằm
nâng cao chất lượng điều khiển. Trên thế giới đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu và
thử nghiệm thành công một số hướng trong phương pháp điều khiển tuyến tính hóa vào

ra ... Ở nước ta cũng đã có nhiều đề tài nghiên cứu về điều khiển tuyến tính hóa vào ra,
tuy nhiên mới dừng lại ở khâu mơ phỏng mà chưa có những thực nghiệm minh chứng
kết quả. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu một số hướng mới trong phương pháp điều
khiển tuyến tính hóa vào ra động cơ không đồng bộ và kiểm chứng các phương pháp

Trang số -1-


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

này bằng thực nghiệm trên cơ sở Card điều khiển DSPACE DS1104 và bộ nghịch lưu
áp ba bậc NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter).
1.2 Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ.
Như đã nói ở phần đầu,đã có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ KĐB ba
pha được các tác giả đề xuất. Các phương pháp điển hình truyền thống là Điều khiển
trực tiếp mô men ( DTC: Direct Torque Control), Điều khiển định hướng trường (FOC:
Field Oriented Control) và các phương pháp hiện đại khác. Mỗi phương pháp đều có
ưu điểm, nhược điểm riêng. Trong mỗi phương pháp lại có vơ số cách thực hiện khác
nhau và mỗi cách như vậy lại hướng đến một chỉ tiêu chất lượng riêng. Đó là lý do có
rất nhiều bài báo liên quan đến đề tài này đã được các tác giả nghiên cứu và thử
nghiệm thành công. Tuy vậy, mỗi bài đều có những hạn chế nhất định. Do đó ln ln
có những đề xuất mới hơn để cải tiến chất lượng điều khiển. Sau đây chúng ta sẽ xem
xét một số phương pháp điều khiển ĐC KĐB nhưng chủ yếu là hai phương pháp kinh
điển DTC và FOC.
1.2.1.

Phương pháp điều khiển trực tiếp Momen (Direct Torque Control:

DTC)
Nội dung phương pháp DTC là dựa trên sai số giữa các giá trị đặt và giá trị ước

lượng từ các khâu tính tốn hồi tiếp về của các moment và từ thơng, có thể điều khiển
trực tiếp trạng thái của bộ nghịch lưu thơng qua các tín hiệu điều khiển đóng cắt khóa
cơng suất nhằm mục đích giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép định
trước. Dưới đây là sơ đồ khối của phương pháp DTC.

Trang số -2-


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

Hình 1.1 Sơ đồ khối điều khiển moment trực tiếp
Mạch được vận hành như sau: tín hiệu từ ngõ ra của động cơ qua khâu ước
lượng từ thông và moment hồi tiếp về để so sánh với các giá trị đặt. Sai số giữa từ
thông đặt và từ thông hồi tiếp được đưa vào khâu so sánh trể hai bậc, còn sai số của
moment hồi tiếp và moment đặt được đưa vào khâu so sánh trễ ba bậc.
Dựa trên giá trị dấu sai số biên độ giữa các giá trị đo và đặt sau 2 khâu rờ-le nói
trên, giá trị tương đối và vị trí của vectơ từ thơng stator thuộc một trong các góc một
phần sáu của một chu kỳ, vectơ khơng gian của bộ nghịch lưu thích hợp sẽ được xuất
ra trong một khoảng thời gian trung bình nào đó.
Về thực chất, sai số moment có thể khử đi bằng cách gia tốc hoặc giảm tốc từ
thông stator. Để giảm sai số từ thông, quỹ đạo từ thông phải được điều khiển theo các
vectơ khơng gian điện áp thích hợp để tăng hay giảm biên độ từ thông này.
Khi yêu cầu tăng biên độ từ thông, vectơ điện áp cần được chọn sao cho góc
dịch pha giữa nó với vectơ từ thơng hiện có phải lớn hơn 900. Ngược lại nếu u cầu
giảm biên độ từ thơng, góc dịch pha này phải nhỏ hơn 900.

Trang số -3-


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

Tổng hợp các điều kiện về khử sai số moment và từ thông kể trên và xem xét
cho tất cả các trường hợp định vị của các vectơ từ thông stator trong mặt phẳng αβ ,
người ta tổng hợp được bảng tham chiếu theo quy luật chọn vectơ không gian điện áp
của bộ nghịch lưu từ đó suy ra quy luật điều khiển đóng cắt các khóa bán dẫn của bộ
nghịch lưu.
Thời gian duy trì của mỗi vectơ điện áp sẽ do độ nhạy của khâu so sánh trễ
quyết định, hoặc nếu thời gian duy trì vectơ điện áp là khơng đổi thì tần số đóng cắt
khóa sẽ khơng đổi.
Ưu điểm:
- Định hướng được từ thơng, do đó tối ưu hóa được moment.
- Điều khiển trực tiếp moment và từ thông.
- Không cần hồi tiếp tốc độ, từ thông và moment mà lấy từ bộ quan sát.
- Không cần các bộ điều khiển dòng điện, các bộ điều chế độ rộng xung, khâu
chuyển đổi hệ tọa độ.
- Thời gian tính tốn nhanh.
- Ít phụ thuộc vào tham số động cơ.
Nhược điểm:
- Khó điều khiển moment và từ thông ở vận tốc thấp.
- Tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu thường biến thiên theo điểm làm việc của
động cơ.
- Độ ồn cao ở vận tốc thấp.
- Khơng có khả năng điều khiển dịng trực tiếp.
- Độ nhấp nhơ dịng điện và moment khá lớn.

Trang số -4-


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

1.2.2. Phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control:
FOC)
Nguyên lý điều khiển FOC dựa trên phương pháp phân tích phi tuyến được sử
dụng trong các hệ thống phi tuyến. Bản chất của phương pháp này là điều khiển các
biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0. Như vậy mô hình tốn học sẽ trở nên đơn
giản hơn vì có thể loại bớt một số biến trong mơ hình tổng quát. Nguyên lý định hướng
trường xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thơng và moment.
Mơ hình tốn học. Nếu Φ eqr = 0 thì:
M =

2 P Lm e e
Φ dr iqs
3 Rr Tr

(1.1)

Nếu thỏa mãn điều kiện Φ edr = const thì có thể điều khiển moment bằng dòng iqse
idre =

(

1
ω r Φ eqr − pΦ edr
Rr

)

(1.2)

Sơ đồ khối của động cơ không đồng bộ định hướng trường như sau:

K

iqre

M

Φ edr

G(p)
idre

Hình 1.2 : Sơ đồ khối của động cơ không đồng bộ hướng tựa trường

Điều khiển định hướng tựa trường có thể theo hai phương pháp :

Trang số -5-


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

-

Phương pháp điều khiển trực tiếp: sử dụng cảm biến để đo trực tiếp từ

thông động cơ.
1.2.2.1.

Phương pháp điều khiển gián tiếp: dựa trên việc đo vị trí rotor.
Sơ đồ điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor.

Sơ đồ hệ thống điều khiển vectơ động cơ khơng đồng bộ được trình bày như
hình
Nguồn
DC
Φ *r

Hệ thống
định hướng
tựa trường

M*

Bộ nghịch
lưu
Tín hiệu
hồi tiếp

Động cơ
KĐB

Hình 1.3: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển
Hệ thống định hướng tựa theo vectơ từ thông tạo ra các tín hiệu dịng stator đặt
ở ngõ ra ias* , ibs* , ics* dựa trên tín hiệu ngõ vào là từ thông rotor và moment động cơ. Bộ
nghịch lưu có nhiệm vụ cung cấp dịng stator ias , ibs , ics theo các giá trị dòng yêu cầu
ias* , ibs* , ics* .

Như trình bày trên hình 1.3, động cơ không đồng bộ được điều khiển định
hướng theo vectơ từ thơng, các thành phần dịng idse và iqse được sử dụng để điều khiển
độc lập từ thông và moment. Vì vậy, hệ thống điều khiển định hướng theo vectơ từ

thơng trên hình 1.3 đầu tiên sẽ chuyển đổi tín hiệu Φ *r và M * thành tín hiệu điều khiển

Trang số -6-


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

tương ứng idse* và iqse* của các vectơ dòng stator trong hệ tọa độ trục dq và sau đó chuyển
đổi tín hiệu điều khiển các dòng pha stator ias* , ibs* , ics* .
Để chuyển tín hiệu iαe*s và iβe*s sang ias* , ibs* , ics* , sử dụng phép biến đổi αβ → abc và
để chuyển đổi tín hiệu idse* và iqse* sang iαe*s và iβe*s cần sử dụng phép chuyển trục dq
→ αβ . Tuy nhiên trở ngại ở phép chuyển trục dq → αβ là các giá trị của thành phần

ωt. Vấn đề là hệ trục tọa độ quay dq được định nghĩa quay cùng vận tốc góc với các đại
lượng vectơ của động cơ nhưng chưa có giả thiết về sự đồng bộ của hệ trục tọa độ này
với các đại lượng các vectơ đã được đề cập. Vì thế một đại lượng vectơ sẽ được chọn
làm chuẩn để định vị hệ trục tọa độ quay dq theo vectơ này. Đây là bản chất của
phương pháp điều khiển định hướng hệ trục tọa độ quay tựa theo vectơ chuẩn.
Trên thực tế có nhiều phương án để thực hiện kỹ thuật điều khiển định hướng
tựa trường (từ thông) tùy theo vectơ nào được chọn làm chuẩn. Trong phương pháp
tiếp cận cổ điển, vectơ thường được chọn làm chuẩn là vectơ từ thông rotor Φ rs và hệ
trục tọa độ quay dq sẽ được định vị theo vectơ này. Sơ đồ điều khiển vectơ trong
trường hợp này được gọi là sơ đồ định hướng tựa theo vectơ từ thông rotor.
Vị trí góc của vectơ từ thơng rotor Φ rs trong hệ tọa độ tĩnh αβ được định nghĩa
là θ r . Phép biến hình dq → αβ được viết lại là :
⎡iαs*s ⎤ ⎡cos(θ r ) − sin (θ r )⎤ ⎡idss* ⎤
⎢ s* ⎥ = ⎢
⎥ ⎢ s* ⎥
⎣⎢iβs ⎦⎥ ⎣ sin (θ r ) cos(θ r ) ⎦ ⎣⎢iqs ⎦⎥

Từ thông rotor sẽ được điều khiển bằng cách hiệu chỉnh thành phần idse của vectơ
dòng stator một cách độc lập so với điều khiển moment thông qua quá trình hiệu chỉnh
thành phần iqse . Yêu cầu đối với bộ điều khiền này là xác định chính xác giá trị góc
θ r (là vị trí của vectơ Φ rs ). Điều này có thể thực hiện một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.

Trang số -7-


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

1.2.2.2.

Sơ đồ điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor trực tiếp.

Hình 1.4 Sơ đồ khối điều khiển định hướng theo vectơ
từ thông rotor trực tiếp
Trong sơ đồ điều khiển vectơ trực tiếp, biên độ và vị trí góc của vectơ từ thơng
chuẩn được đo hoặc ước tính từ các giá trị của điện áp và dịng stator thơng qua các bộ
phận quan sát từ thông. Bằng cách đặt các cảm biến hiệu ứng Hall vào trong các khe hở
khơng khí của động cơ ở trục α và β , có thể xác định các thành phần tương ứng của
vectơ từ thơng khe hở khơng khí Φ ms .
Ta có :

(

)

(1.3)

1 s

Φ m − iss
Lm

(1.4)

Φ ms = Lm ims = Lm iss + irs

Suy ra: irs =

Do vectơ Φ rs khác với vectơ Φ rm bởi từ thông tản trong rotor, vậy:
⎛ 1 s
⎞
Φ rs = Φ ms + Llr irs = Φ ms + Llr ⎜⎜
Φ m − iss ⎟⎟
⎝ Lm
⎠

Trang số -8-


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

⎛ L ⎞
L
= ⎜⎜1 + lr ⎟⎟Φ ms − Llr iss = lr Φ ms − Llr iss
Lm
⎝ Lm ⎠

(1.5)

Việc ước lượng từ thơng được thực hiện như sau :
-

Các tín hiệu iαes và iβes được tính từ dịng stator thực ias , ibs , ics sử dụng phép

chuyển trục abc Ỉ αβ .
-

-

Phương pháp xác định Φ αs r và Φ sβr :
Φ αs r =

Lr s
Φ αm − Llr iαss
Lm

(1.6)

Φ sβr =

Lr s
Φ βm − Llr iβs s
Lm

(1.7)

Biên độ và góc pha :

Φ αs r + Φ sβr ⇒ Φ r ∠θ r

Khâu tính tốn moment theo các bước sau:
-

Phép biến hình

abc → αβ

được dùng để chuyển dịng stator

ias , ibs , ics → iαes , iβes .

-

Góc θ r lấy từ ngõ ra khâu tính tốn từ thơng rotor.

-

Biên độ Фr của từ thơng rotor được tính từ khâu tính tốn từ thơng rotor.

1.2.2.3.

Sơ đồ điều khiển định hướng theo vectơ từ thông gián tiếp.

Trang số -9-


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

Hình 1.5 Sơ đồ khối điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor gián tiếp

Trong phương pháp điều khiển trực tiếp, góc θ r của vectơ từ thơng rotor được
đo trực tiếp nhờ sử dụng cảm biến Hall đo từ khe hở khơng khí. Ngược lại, trong
phương pháp điều khiển gián tiếp, góc θ r được tính tốn dựa trên vận tốc trượt ω sl* và
thông tin về vận tốc động cơ ω .
t

t

t

θ r = ∫ ω dt = ∫ ω dt + ∫ ωdt
*
s

*
sl

0

0

(1.8)

0

Với θ là góc dời của rotor và có thể được đo bằng cảm biến vị trí trục. Vận tốc
trượt ω sl* có thể được tính từ các phương trình sau.
Do ψ re = ψ rde nên phương trình (1.4) trở thành:
ire =

(

1
ψ rde − Lm i se
Lm

)

(1.9)

Vì hệ tọa độ dq quay với tốc độ đồng bộ nên ta được phương trình điện áp rotor
trong hệ tọa độ dq
Rr ire + ( p + jω sl )ψ rde = 0

Từ phương trình (1.9) và (1.10) ta có thể suy ra

Trang số -10-

(1.10)


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

ψ dre [1 + Tr ( p + jω sl )] = Lm ise

(1.11)

Phần thực và phần ảo của phương trình (1.11) là:
ψ dre [1 + Tr p ] = Lmisde

(1.12)

ψ dre .Tr .ωsl = Lmisqe

Vậy tốc độ ω sl được tính như sau:
ωsl =

Lm .isqe

(1.13)

Tr .ψ re

Từ đây ta có thể xác định được góc θr để tính tốn và điều khiển động cơ
Hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ có từ thơng và moment được
điều khiển kiểu vịng hở và khơng có các mạch vịng hồi tiếp để hiệu chỉnh các giá trị
này. Vì thế, đặc tính của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào việc xác định chính xác các
thơng số của động cơ. Ưu điểm của hệ thống này là có thể sử dụng cho các loại động
cơ thường gặp với vị trí của rotor có thể dễ dàng đo được bằng cảm biến gắn bên ngồi.
Phương pháp điều khiển vectơ cho động cơ khơng đồng bộ theo nguyên lý định
hướng theo vectơ từ thông thường tập trung vào ba vấn đề chính sau:
• Các khả năng định vị hệ trục tọa độ quay.
• Việc thay thế các cảm biến đo trực tiếp bằng các hệ quan sát, nhận dạng
gián tiếp, đặc biệt là đối với từ thơng và vận tốc.
• Các sơ đồ điều khiển thích nghi, nhận dạng các thơng số động cơ và tự
chỉnh định các tham số bộ điều khiển.
Ưu điểm:
- Đáp ứng moment nhanh.
- Điều khiển chính xác vận tốc.

Trang số -11-


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

- Đảm bảo moment ở vận tốc zero.
- Tương tự điều khiển động cơ DC.
Nhược điểm:
- Phải có hồi tiếp tốc độ trong sơ đồ điều khiển.
- Chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục.
- Cần phải điều chế độ rộng xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dịng và tham số
động cơ.
Ngồi ra hai phương pháp kinh điển trên, ta có thể kết hợp thêm các phương
pháp khác để điều khiển ĐC KĐB (phương pháp điều khiển phi tuyến: điều khiển dùng
mô hình nội, điều khiển trượt …) và phương pháp điều khiển tuyến tính hóa vào ra là
một trong số các phương pháp đó sẽ được trình bày bên dưới đây.
1.3 Tổng quan về phương pháp điều khiển tuyến tính hóa vào ra.
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước:
Trong nước, các cơng trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển tuyến tính hóa
vào ra điều khiển ĐCKĐB rất hạn chế. Các nghiên cứu về điều khiển ĐCKĐB đa số
tập trung vào các phương pháp truyền thống là FOC và DTC. Một số cơng trình khác
nghiên cứu về điều khiển dùng mơ hình nội và điều khiển trượt do nhóm tác giả Dương
Hồi Nghĩa đề xuất.
Phương pháp tuyến tính hóa vào ra là một trong số những phương pháp điều
khiển phi tuyến đã và đang được nghiên cứu để điều khiển ĐCKĐB.
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước:
Một số cơng trình nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển tuyến tính hóa vào ra
ĐCKĐB có thể kể đến như:

Trang số -12-

Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

1. Enev, S.E. Tech. Univ., Sofia. “Input-Output Linearization Control of
Current-fed Induction Motors with Rotor Resistance and Load Torque
Identification”. IEEE International Conference on E-Learning in
Industrial Electronics, 2006 1ST, pages 198 – 201.
2. Levent U. Gökdere and Charles W. Brice. “Energy-Shaping and InputOutput Linearization Controllers for Induction Motors”. Proceedings of
IEEE International Conference on Control Applications (CCA), pp. 924926, Hartford, Connecticut, October 5-7, 1997.
3. Salima Meziane, Riad Toufouti, Hocine Benalla. “Nonlinear Control of
Induction Machines Using an Extended Kalman Filter”. Acta
Polytechnica Hungarica. Vol. 5, No. 4, 2008.
4. Mehran Jalalifar, Amir Farrokh Payam,Seyed Morteza Saghaeian
Nezhad, Hassan Moghbeli. “Dynamic Modeling and Simulation of an
Induction Motor with Adaptive Backstepping Design of an Input-Output
Feedback Linearization Controller in Series Hybrid Electric Vehicle”.
Serbian journal of electrical engineering Vol. 4, No. 2, November 2007,
119-132.
1.4 Nội dung tóm lược của luận văn.
Với nội dung kể trên luận văn có cấu trúc như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ khơng
đồng bộ ba pha. Và qua đó tác giả muốn giới thiệu phương pháp điều khiển tuyến tính
hóa vào ra trong việc điều khiển thời gian thực ĐC KĐB.
Chương 2: Giới thiệu phương pháp xây dựng bộ điều khiển tuyến tính hóa vào
ra cho ĐC KĐB ba pha cùng các bộ ước lượng và bộ nghịch lưu ba pha. Việc xây dựng

Trang số -13-

Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

trên lý thuyết là cơ sở cho tác giả đưa kết quả nghiên cứu của mình vào ứng dụng trong
mơ phỏng và điều khiển thực tế sử dụng phần mềm Matlab 7.
Chương 3: Kiểm chứng việc điều khiển ĐC KĐB ba pha sử dụng phương pháp
tuyến tính hịa vào ra trong mơ phỏng sử dụng phần mềm Matlab 7. Trong chương này
tác giả sẽ tiến hành nhiều mô phỏng với nhiều dạng điều khiển khác nhau nhưng trong
đó phương pháp điều khiển TTHVR vẫn nắm vai trò chủ đạo (TTHVR ước lượng vịng
hở, TTHVR ước lượng vịng kín, …).
Chương 4: Để chứng minh lý thuyết điều khiển TTHVR áp dụng vào điều khiển
ĐC KDDB ba pha là đúng đắn, ngồi việc mơ phỏng tác giả còn đưa lý thuyết điều
khiển trên áp dụng vào thực tế. Trong chương này tác giả sẽ đưa ra một số kết quả
trong việc điều khiển thực tế của mình. Đây là điểm mới, đặc biệt hơn so với một số
luận văn trước vì đã áp dụng được việc điều khiển TTHVR cho ĐC KĐB ba pha
trong thực tế.
Chương 5: Tổng kết lại kết quả đạt được, nêu lên một số hạn chế và đưa ra
hướng phát triển của đề tài. Hiện tại luận văn này chỉ đề cập đến việc điều khiển
TTHVR cho ĐC KĐB ba pha nhưng về cơ bản nó đã vẽ ra nhiều hướng mới trong lĩnh
vực điều khiển tự động. Như có thể ứng dụng lý thuyết điều khiển TTHVR cho các
đối tượng khác (bồn nước đơn, bồn nước đôi, cánh tay mềm dẻo, con lắc thuận, con
lắc ngược, …) hay việc sử dụng các phương pháp điều khiển khác (điều khiển mờ,
điều khiển trượt, điều khiển mơ hình nội, điều khiển thích nghi trực tiếp, …) áp
dụng cho ĐC KĐB ba pha, …Đó chính là hướng phát triển của luận văn này.

Trang số -14-


Luận văn thạc sĩ – Huỳnh Đỗ Minh Thiện

Chương 2: Điều khiển tuyến tính hóa vào ra và

ứng dụng trong điều khiển ĐC KĐB
2.1. Giới thiệu phương pháp điều khiển tuyến tính hóa vào ra: (Input Output
Linearization Control: IOLC)
Xét đối tượng điều khiển phi tuyến :
⎧ x& = f ( x) + g ( x)u
H: ⎨
⎩ y = h( x )

(2.1)

Với : x : vecto trạng thái n x 1 ; u : vecto tín hiệu vào ; y : vecto tín hiệu ra.
f ( x ), g ( x )

là các vectơ n x 1.

h(x)

là một hàm của vectơ x .

n : số biến trạng thái của hệ thống ( bậc của hệ thống).
Giả thiết tín hiệu vào bằng tín hiệu ra.
Luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa :
Ta có :
y& =

∂h
∂h
∂h
g ( x ).u = L f h( x) + Lg h( x ).u
f ( x) +

x& =
∂x
∂x
∂x

Với : L f h(x) là đạo hàm Lie theo phương f(x) của h(x).
Lg h(x ) là đạo hàm Lie theo phương g(x) của h(x).

Nếu Lg h( x) = 0

Ỉ y& = L f h(x )
Ỉ &y& =

∂L f h( x)
∂x

x& =

∂L f h( x)
∂x

= L2f h( x) + Lg L f h( x).u
Nếu L g L

f

h(x) = 0

Ỉ &y& = L2f h( x)

Trang số -15-

f ( x) +

∂L f h( x)
∂x

g ( x).u