Khảo sát đặc điểm ổn định của cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có tách kênh trực tiếp khi thực hiện điều kiện thời gian thực

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN THỊ DƯƠNG

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

KHẢO SÁT ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH CỦA CẤU TRÚC
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ ROTOR
LỒNG SĨC CĨ TÁCH KÊNH TRỰC TIẾP KHI
TỰ ĐỘNG HÓA

THỰC HIỆN DƯỚI ĐIỀU KIỆN THỜI GIAN THỰC

NGUYỄN THỊ DƯƠNG

TN
2011

THÁI NGUYÊN 2011


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHẢO SÁT ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH CỦA CẤU TRÚC ĐIỀU

KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC
CÓ TÁCH KÊNH TRỰC TIẾP KHI THỰC HIỆN DƯỚI
ĐIỀU KIỆN THỜI GIAN THỰC

NGÀNH:

TỰ ĐỘNG HÓA

HỌC VIÊN: NGUYỄN THỊ DƯƠNG
NGƯỜI HD KHOA HỌC: GS.TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG

THÁI NGUYÊN – 2011


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-----------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nguyễn Thị Dương
Ngày 06 tháng 06 năm 1985
Bắc Giang
Trường CĐ nghề cơ điện và xây dựng Bắc Ninh

Họ và tên học viên
Ngày tháng năm sinh
Nơi sinh
Nơi cơng tác

:
:
:
:

Cơ sở đào tạo
Chun ngành
Khóa học

: Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun
: Tự động hóa
: K12- TĐH

TÊN ĐỀ TÀI:
KHẢO SÁT ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH CỦA CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC CÓ TÁCH
KÊNH TRỰC TIẾP KHI THỰC HIỆN DƯỚI ĐIỀU KIỆN THỜI
GIAN THỰC
Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Trường Đại học Bách Khoa – Hà Nội
Ngày giao đề tài: ........./....../.........
Ngày hoàn thành: ......./....../.........
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

HỌC VIÊN

GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
BAN GIÁM HIỆU

Nguyễn Thị Dương
KHOA SAU ĐẠI HỌC


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-1-

Chuyên ngành tự động hóa

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Dương
Sinh ngày 06 tháng 06 năm 1985
Học viên lớp cao học khoá 12 - Tự động hố - Trường đại học kỹ thuật Cơng
nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại Trường cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng Bắc Ninh.
Xin cam đoan luận văn “Khảo sát đặc điểm ổn định của cấu trúc điều khiển
động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc có tách kênh trực tiếp khi thực hiện dưới
điều kiện thời gian thực” do thầy giáo GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang hướng dẫn
là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn
gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như yêu
cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn tác giả
xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2011

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-2-

Chuyên ngành tự động hóa

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình
giúp đỡ của thầy giáo GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang, luận văn với đề tài
“Khảo sát đặc điểm ổn định của cấu trúc điều khiển động cơ khơng đồng bộ
rotor lồng sóc có tách kênh trực tiếp khi thực hiện dưới điều kiện thời gian
thực” đã được hồn thành.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang đã tận tình chỉ dẫn,
giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn.
Thầy thầy giáo ThS. Phạm Tâm Thành –Nghiên cứu sinh Trường Đai học
Bách Khoa Hà Nội, cùng các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp
Thái Nguyên và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong
suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này.

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-3-

Chuyên ngành tự động hóa

MỤC LỤC
Nội dung

Trang

Lời cam đoan

1

Lời cảm ơn

2

Mục lục

3

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt

5

Danh mục các hình vẽ

8

LỜI NĨI ĐẦU

12

CHƯƠNG 1 : MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG
SĨC
1.1. Mơ hình trạng thái liên tục ĐCKĐB-RLS.

14
14

1.1.1. Các phương trình cơ bản

14

1.1.2. Mơ hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB-RLS trên hệ toạ độ dq

16

1.2. Mơ hình trạng thái gián đoạn của ĐCKĐB- RLS

21

1.2.1. Xây dựng mơ hình trạng thái gián đoạn

21

1.2.2. Mơ hình trạng thái gián đoạn của ĐCKĐB-RLS trên hệ toạ độ dq

23

1.3. Đặc điểm phi tuyến của mơ hình dịng ĐCKĐB- RLS

24

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HĨA CHÍNH XÁC VÀ
CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CĨ TÁCH KÊNH TRỰC TIẾP

26

2.1. Tổng quan về phương pháp tuyến tính hóa chính xác.

26

2.1.1. Đặt vấn đề

26

2.1.2. Phương pháp tuyến tính hố chính xác.

28

2.1.3. Ưu điểm của phương pháp tuyến tính hố chính xác

35

2.2. Tuyến tính hóa chính xác mơ hình dịng động cơ
2.2.1. Khả năng tuyến tính hóa chính xác mơ hình dịng động cơ

35
36

2.2.2. Kiểm tra điều kiện tuyến tính hóa chính xác

38

2.2.3. Tuyến tính hóa chính xác mơ hình dịng ĐCKĐB-RLS

40

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-4-

Chuyên ngành tự động hóa

2.3. Cấu trúc điều khiển có tách kênh trực tiếp

45

2.3.1. Cấu trúc hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor

45

2.3.2. Cấu trúc điều khiển có tách kênh trực tiếp

47

CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TÁCH KÊNH TRỰC TIẾP VÀ
ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH KHI ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC

49

3.1. Thiết kế các bộ điều chỉnh

49

3.1.1. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng Risd

49

3.1.2. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng Risq

50

3.1.3. Thiết kế bộ điều chỉnh từ thông.

51

3.1.4. Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ.

52

3.2. Các tham số dùng cho mô phỏng

54

3.3. Xây dựng các khối mô phỏng bằng Matlab Simulink

55

3.3.1. Mô phỏng động cơ khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.

55

3.3.2. Mơ phỏng ĐCKĐB- RLS kết hợp bộ điều khiển phản hồi trạng 57
thái
3.3.3. Mô phỏng các bộ điều chỉnh .
58
3.3.4. Mô phỏng mơ hình từ thơng.

60

3.3.5. Sơ đồ mơ phỏng cấu trúc hệ thống điều khiển tách kênh trực tiếp
ĐCKĐB-RLS.
3.4. Khảo sát đặc điểm ổn định của cấu trúc tách kênh trực tiếp ĐCKĐBRLS khi điều khiển dưới thời gian thực.
3.4.1. Khảo sát tính tuyến tính của mơ hình khi tuyến tính hóa chính
xác.
3.4.2. Khảo sát tính tách kênh trực tiếp
3.4.3. Khảo sát đáp ứng tốc độ của động cơ

61
63
63
68
71

3.4.4. Khảo sát đặc điểm ổn định của hệ thống trên cơ sở quỹ đạo điểm
cực
3.4.4.1.Khảo sát ảnh hưởng của chu kỳ trích mẫu T đến độ ổn
định của hệ thống.
3.4.4.2.Khảo sát ảnh hưởng của các tham số động cơ đến độ ổn
định của hệ thống.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

72

TÀI LIỆU THAM KHẢO

88

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

74
80
86

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-5-

Chuyên ngành tự động hóa

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục các kí hiệu
Vector dịng điện Stator, vector dịng điện Rotor

is, ir
isu, isv, isw
s

is , ir

r

Dòng điện pha Stator
Vector dòng điện is trên hệ toạ độ cố định Stator và Rotor

isd, isq

Thành phần dòng Stator theo trục d, trục q

isα, isβ

Thành phần dịng Stator theo trục α, trục β

mT, mM

Mơmen tải, mômen điện từ của động cơ

us

Vetctor điện áp Stator

usd, usq

Thành phần điện áp Stator theo trục d, trục q

usα, usβ

Thành phần điện áp Stator theo trục α, trục β

uss, urr

Vector dòng điện is trên hệ toạ độ cố định Stator và Rotor

ω, ωs,

Vận tốc góc cơ, vận tốc góc mạch Stator

ψs,ψr

Vector từ thong stator, rotor

ψrd,ψrq

Các thành phần trục d, q của từ thơng roto

fs

Tần số mạch stator

 , s

Góc cơ, góc pha từ thơng

J

Mơmen qn tính

zp

Số đơi cực

Rs, Rr

Điện trở stator, rotor

Ls, Lr, Lm

Điện cảm stator, rotor, hỗ cảm

Lσs, Lσr

Điện cảm tản phía stator, rotor

Ts, Tr

Hằng số thời gian stator, rotor

σ

Hệ số từ tản toàn phần

Risd, Risq

Các bộ điều chỉnh dòng

isd* , isq*

Giá trị đặt cho bộ điều chỉnh dịng

R , R

Bộ điều chỉnh tốc độ, từ thơng

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

 * , rd*

-6-

Chuyên ngành tự động hóa

Giá trị đặt cho bộ điều chỉnh tốc độ, từ thơng

2. Chỉ số viết nhỏ, góc phải phía trên.

f

Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ từ thông rotor

s

Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ stator

r

Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực là trục rotor

3. Chỉ số viết nhỏ, ở góc phải phía dưới.
 Chữ cái thứ nhất :
s

Đại lượng của mạch stator

r

Đại lượng của mạch rotor

 Chữ cái thứ hai :
d,q

Đại lượng thuộc hệ tọa độ dq

u, v, w

Đại lượng thuộc pha u, v, w

4. Ma trận, vector.

I

Ma trận đơn vị



Ma trận rỗng

Vector

Chữ nhỏ

Ma trận Chữ to
5. Các chữ viết tắt.
ĐK

Điều khiển

ĐCKĐB

Động cơ không đồng bộ

ĐCKĐB-RLS

Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-7-

Chuyên ngành tự động hóa

ĐKPT

Điều khiển phi tuyến

TTHCX

Tuyến tính hóa chính xác

ĐKPHTT

Điều khiển phản hồi trạng thái

MHTT

Mơ hình từ thơng

TĐĐXCBP

Truyền động điện xoay chiều ba pha

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-8-

Chuyên ngành tự động hóa

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình

Nội dung

Trang

Hình 1.1.

Vector dịng stato trên hệ tọa độ quay dq

16

Hình 1.2.

Mơ hình ĐCKĐB-RLS trên hệ tọa độ dq

18

Hình 1.3

Mơ hình trạng thái dạng phi tuyến của ĐCKĐB-RLS trên hệ 20
toạ độ dq

Hình 2.1.

Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hố chính xác hệ phi tuyến, hệ mới 28
có đặc điểm vào-ra tuyến tính trong tồn bộ khơng gian trạng
thái

Hình 2.2.

Mơ hình tuyến tính hóa chính xác quan hệ vào - ra hệ phi 33
tuyến MIMO

Hình 2.3.

Cấu trúc bộ ĐKPHTT

43

Hình 2.4.

Sơ đồ cấu trúc vào – ra tuyến tính của ĐCKĐB-RLS

44

Hình 2.5.

Sơ đồ khối cấu trúc hệ TĐĐXCBP điều khiển kiểu T4R trên hệ 45
toạ độ dq sử dụng ĐCKĐB-RLS

Hình 2.6.

Cấu trúc điều khiển có tách kênh trực tiếp ĐCKĐB-RLS khi 48
tuyến tính hóa chính xác mơ hình dịng

Hình 3.1.

Thiết kế bộ điều chỉnh dịng isd

49

Hình 3.2.

Thiết kế bộ điều chỉnh dịng isq

50

Hình 3.3.

Thiết kế bộ điều chỉnh từ thơng

51

Hình 3.4.

Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ

52

Hình 3.5.

Bộ điều chỉnh tốc độ sau khi dùng bộ tiền xử lý

54

Hình 3.6.

Mơ phỏng ĐCKĐB- RLS ở dạng hệ con

55

Hình 3.7.

Các thơng số ĐCKĐB-RLS

56

Hình 3.8.

Sơ đồ Simulink mơ hình ĐCKĐB- RLS trên hệ tọa độ dq

56

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-9-

Chun ngành tự động hóa

Hình 3.9.

Bộ điều khiển phản hồi trạng thái

Hình 3.10.

Tuyến tính hố chính xác mơ hình dịng bằng bộ điều khiển 58

57

phản hồi trạng thái
Hình 3.11.

Bộ điều chỉnh dịng isd và isq trên miền liên tục

58

Hình 3.12.

Bộ điều chỉnh dịng isd và isq trên miền gián đoạn

59

Hình 3.13.

Bộ điều chỉnh từ thơng trên miền liên tục

59

Hình 3.14.

Bộ điều chỉnh từ thơng trên miền gián đoạn

59

Hình 3.15.

Bộ điều chỉnh tốc độ trên miền liên tục

60

Hình 3.16.

Bộ điều chỉnh tốc độ trên miền gián đoạn

60

Hình 3.17.

Mơ hình từ thơng trên miền gián đoạn

61

Hình 3.18.

Cấu trúc hệ thống điều khiển tách kênh trực tiếp

62

ĐCKĐB-RLS
Hình 3.19.

Đáp ứng dịng isd khi w11=6.1(t) (A/s)

63

Hình 3.20.

Đáp ứng dịng isd khi w12=t (A/s)

64

Hình 3.21.

Tổng 2 đáp ứng dịng isd với w11=6.1(t ) (A/s) và w12=t (A/s)

64

Hình 3.22.

Đáp ứng dịng isd khi w13=6.1(t)+t (A/s)

65

Hình 3.23.

Đáp ứng dịng isq khi w21=1(t) (A/s)

66

Hình 3.24.

Đáp ứng dịng isq khi w22=20.sin(10t) (A/s)

66

Hình 3.25.

Tổng 2 đáp ứng dịng isq khi w21=1(t) (A/s)

67

và w22=20.sin(10t)(A/s)
Hình 3.26.

Đáp ứng dịng isq khi w23=1(t) + 20.sin(10t) (A/s)

Hình 3.27.

Đáp ứng dịng isd, isq khi w1=6.1(t) (A/s) và w2=15.sin(5t) 69
(A/s)

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

67

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 10 -

Chuyên ngành tự động hóa

Hình 3.28.

Đáp ứng dịng isd, isq khi w1=6.1(t) (A/s) và w2=t (A/s)

69

Hình 3.29.

Đáp ứng dịng isd , isq khi w1=5.sin(5t) (A/s) và w2=1(t)(A/s)

70

Hình 3.30.

Đáp ứng dịng isd , isq khi w1= t và w2=1(t) (A/s)

71

Hình 3.31.

Đáp ứng tốc độ của ĐCKĐB-RLS gián đoạn

72

Hình 3.32.

Cấu trúc tách kênh trực tiếp ĐCKĐB-RLS có khối Input Point 73
và Output point

Hình 3.33. Sự phân bố điểm không, điểm cực của hệ thống khi tốc độ đặt 74
ω=150 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 1000 µs
Hình 3.34.

Sự phân bố điểm khơng, điểm cực của hệ thống khi tốc độ đặt 75
ω=150 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 500 µs

Hình 3.35.

Sự phân bố điểm khơng, điểm cực của hệ thống khi tốc độ đặt 75
ω=150 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 300 µs

Hình 3.36. Sự phân bố điểm không, điểm cực của hệ thống

76

khi tốc độ đặt ω=150 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 200 µs
Hình 3.37.

Sự phân bố điểm khơng, điểm cực của hệ thống khi tốc độ đặt 76
ω=150 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 100 µs

Hình 3.38. Sự phân bố điểm khơng, điểm cực của hệ thống khi tốc độ đặt 77
ω=300 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 1000 µs
Hình 3.39.

Sự phân bố điểm không, điểm cực của hệ thống tốc độ đặt 78
ω=300 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 500 µs

Hình 3.40.

Sự phân bố điểm không, điểm cực của hệ thống khi tốc độ đặt 78
ω=300 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 300 µs

Hình 3.41.

Sự phân bố điểm khơng, điểm cực của hệ thống tốc độ đặt 79
ω=300 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 200 µs

Hình 3.42.

Sự phân bố điểm khơng, điểm cực của hệ thống khi tốc độ đặt 79
ω=300 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 100 µs

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 11 -

Chuyên ngành tự động hóa

Hình 3.43. Sự phân bố điểm khơng, điểm cực của hệ thống khi điện trở 81
Stator động cơ Rs=3Ω
Hình 3.44. Sự phân bố điểm không, điểm cực của hệ thốngkhi điện trở 81
Stator động cơ Rs=4Ω
Hình 3.45. Sự phân bố điểm không, điểm cực của hệ thống khi điện trở 82
Stator động cơ Rs=5Ω
Hình 3.46. Sự phân bố điểm không, điểm cực của hệ thống khi điện trở 82
Stator động cơ Rs=6Ω
Hình 3.47. Sự phân bố điểm khơng, điểm cực của hệ thống khi điện trở 83
Rotor động cơ Rr=0.5Ω
Hình 3.48. Sự phân bố điểm khơng, điểm cực của hệ thống khi điện trở 84
Rotor động cơ Rr=1Ω
Hình 3.49. Sự phân bố điểm không, điểm cực của hệ thống khi điện trở 84
Rotor động cơ Rr=2Ω
Hình 3.50. Sự phân bố điểm không, điểm cực của hệ thống khi điện trở 85
Rotor động cơ Rr=2.5Ω

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 12 -

Chuyên ngành tự động hóa

LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành kỹ thuật điều khiển tự động
nhiều hệ thống truyền động điện đã được ứng dụng trong sản xuất công nhiệp đem
lại hiệu quả kinh tế cao. Đối tượng điều khiển đóng vai trị quan trọng là động cơ
khơng đồng bộ rotor lồng sóc (ĐCKĐB- RLS). Việc điều khiển ĐCKĐB- RLS là
vấn đề gặp nhiều khó khăn, do ĐCKĐB- RLS là một đối tượng phi tuyến phức tạp.
Cho đến nay đã có nhiều cơng trình nghiên cứu thành cơng phương pháp tuyến tính
hóa chính xác điều khiển ĐCKĐB- RLS. Sau khi thực hiện tuyến tính hóa chính
xác mơ hình ĐCKĐB- RLS ta thu được kết quả là cấu trúc điều khiển có tách kênh
trực tiếp. Đưa việc điều khiển ĐCKĐB- RLS trở thành việc điều khiển từng kênh
riêng biệt mà có thể áp dụng lý thuyết điều khiển tuyến tính.
Như vậy với phương pháp tuyến tính hố chính xác đã mở ra cho ta một triển
vọng tốt đẹp hứa hẹn một cấu trúc điều khiển thích hợp hơn với bản chất cấu trúc
phi tuyến của ĐCKĐB- RLS đó là Cấu trúc điều khiển có tách kênh trực tiếp, với
cấu trúc này ta có thể khắc phục được các nhược điểm còn tồn tại của các phương
pháp điều khiển kinh điển.
Với những ý nghĩa trên đây và được sự định hướng của thầy giáo GS.TSKH
Nguyễn Phùng Quang tôi đã lựa chọn đề tài: “Khảo sát đặc điểm ổn định của
cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có tách kênh trực tiếp

khi thực hiện dưới điều kiện thời gian thực” nhằm mục đích tìm hiểu những ưu
điểm và kết quả mà phương pháp tuyến tính hố chính xác đem lại.
Luận văn bao gồm các phần chính như sau:
Chương 1: Mơ hình động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc
Chương 2: Phương pháp tuyến tính hóa chính xác và cấu trúc điều khiển có
tách kênh trực tiếp
Chương 3: Cấu trúc có tách kênh trực tiếp và đặc điểm ổn định khi điều khiển
thời gian thực
Kết luận và kiến nghị

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 13 -

Chuyên ngành tự động hóa

Tơi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ hướng dẫn tận tình của thầy giáo
GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi cũng
bày tỏ lòng cảm ơn tới thầy giáo ThS. Phạm Tâm Thành – Nghiên cứu sinh tại
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, cùng các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật
công nghiệp Thái Nguyên và một số đồng nghiệp, đã giúp đỡ tơi hồn thành luận
văn này.

Thái Ngun, ngày 10 tháng 11 năm 2011
Học viên

Nguyễn Thị Dương

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 14 -

Chuyên ngành tự động hóa

CHƯƠNG 1:
MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SĨC
Trong các cách mơ tả tốn học được sử dụng cho ĐCKĐB, phương pháp sử
dụng mơ hình trạng thái để mơ tả động cơ có nhiều ưu thế rõ rệt như cung cấp
hiểu biết về những quan hệ điện từ bên trong động cơ, là cơ sở thuận lợi phục
vụ cho việc thiết kế bộ điều khiển. Nội dung trong chương này sẽ tập trung vào
việc xây dựng mô hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB-RLS. Từ mơ hình
trạng thái liên tục ta sẽ thực hiện gián đoạn hóa thu được mơ hình gián đoạn
tương đương, để phục vụ thiết kế các khâu điều chỉnh gián đoạn. Từ đó xây dựng
cấu trúc để khảo sát đặc điểm ổn định của động cơ
Với cố gắng để mơ hình hóa động cơ phục vụ mục tiêu này, ta chấp nhận một

số giả thiết nhằm đơn giản hóa cơng việc xây dựng mơ hình như trong tài liệu
[3] đã đề cập.
Trong nội dung chương đầu tiên chúng ta chỉ quan tâm đến hệ tọa độ quay
đồng bộ với từ thông rotor (hệ tọa độ dq), hay còn gọi là hệ tọa độ tựa hướng từ
thơng rotor. Mơ hình trạng thái được xây dựng trên hệ tọa độ dq sẽ làm nền
tảng cho việc thiết kế các khâu điều chỉnh và khảo sát đặc điểm ổn định ở những
chương sau.
1.1.
1.1.1.

Mơ hình trạng thái liên tục ĐCKĐB-RLS.
Các phương trình cơ bản.

Hai phương trình cơ bản của ĐCXCBP là phương trình điện áp stator cố định
và điện áp rotor viết trên chính hệ thống cuộn dây stator, tức là viết trên hệ toạ độ
cố định với stator và trên rotor.
 Phương trình điện áp stator (trên hệ thống cuộn dây stator )

d ss
u Ri 
dt
s
s

s
s s

(1.1)

Rs : điện trở stator ;  ss : từ thơng stator

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành tự động hóa

- 15 -

Phương trình điện áp rotor (trên hệ thống cuộn dây rotor ngắn mạch)



0  Rs irr 

d rr
dt

(1.2)

Rs : điện trở rotor ;  rr : từ thông rotor ; 0: vector rỗng

Phương trình từ thơng



 Ls  Lm  Lr
Lr  Lm  Lr

 s  Ls is  Lm ir

 r  Lm is  Lr ir

với 

(1.3)

Lm : hỗ cảm; Ls , Lr : điện cảm phía stator , phía rotor

Ls , Lr : điện cảm tản phía stator , phía rotor
Do máy điện có kết cấu cơ học đối xứng, các giá trị điện cảm trên mọi
hệ toạ độ là như nhau. Vì vậy, trong (1.8) ta không cần sử dụng đến các chỉ số
viết bên phải trên cao nữa. Để mô tả đầy đủ đối tượng ĐCXCBP ta còn phải bổ
xung thêm hai phương trình cơ sau đây:


mM 

mM 


Phương trình mơmen quay

3

3
z p  s xi s sign (sin  s )   z p  s xi s sign (sin  r )
2
2

3
3
z p Im  s* i s   z p Im  s i s*
2
2

 

 

(1.4)

2

(1.5)

Phương trình chuyển động

mM = mW 

J d
z p dt

(1.6)

mM , mW : mômen của động cơ, mômen tải; z p : số đơi cực

J: mơmen qn tính;  : tốc độ góc cơ học (của rotor )

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 16 -

Chuyên ngành tự động hóa

Dựa trên các phương trình cơ bản ta thực hiện việc chuyển sang hệ tọa độ
quay đồng bộ với từ thông roto (hệ tọa độ tựa hướng từ thông roto) – hệ tọa đơ
dq.
1.1.2.

Mơ hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB-RLS trên hệ toạ độ dq

Hệ toạ độ này được chọn sao cho trục thực d của hệ trùng với trục của từ
thông rotor  r . Như vậy hệ tọa đô dq quay với tốc độ quay s (cũng là tốc độ quay
của is , us ,  s ) góc giữa trục d và trực cuộn dây pha u là s .
Trong hệ toạ độ mới này, thành phần vng góc q của từ thơng rotor bằng
khơng. Hệ được gọi là hệ toạ độ dq.

Hình1.1 : Vector dòng stato trên hệ tọa độ quay dq

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 17 -

Chuyên ngành tự động hóa

Theo [1] sau khi chuyển hệ trục tọa độ ta thu được hệ phương trình sau:

 f
us


 0
 f
 s
 f
 r

Li

d sf

dt
d rf

dt
 Lm i rf

L i

 Lr i rf

f
s s

Ri

 Rr irf
f
s s
f
m s

 j s rf
 j r rf

(1.7)

Ta bổ sung thêm kí hiệu:

  1  Lm / Ls Lr  : hệ số từ tản toàn phần
Ts  Ls / Rs ; Tr  Lr / Rr :hằng số thời gian stator, rotor

Ta tìm cách khử dịng rotor cũng như từ thơng stator ra khỏi hệ phương trình và
thu được:
 disd

 dt
 disq

 dt

'
 d rd
 dt

'
 d rq
 dt

 1
1  
1  ' 1
1
isd   s i sq 
 

 rd 
 rq' 
u sd

Tr

L s
 Ts Tr 
 1
1  
1
1  '
1
isq 
  s i sd  

 rd' 
 rq 
u sq

Tr
L s
 Ts Tr 
1
1
 i sd   rd'   s    rq'
Tr
Tr
1
1
 i sq   s    rd'   rq'
Tr
Tr

(1.8)

'
'
Với:  rd   rd / Lm ;  rq   rq / Lm ;  s     r

Đồng thời ta thu được công thức mômen từ các thành phần với điều kiện: khi
tựa theo hướng của từ thơng rotor ta có thể đặt  rq  0 .
mM 

3 L2m '
3
zp
 rd i sq  z p 1   Ls rd' isq
2
Lr
2

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

(1.9)

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 17 -

Chuyên ngành tự động hóa

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang

HV:Nguyễn Thị Dương

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 18 -

Chuyên ngành tự động hóa

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang

HV:Nguyễn Thị Dương

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 19 -

Chuyên ngành tự động hóa

Hai phương trình (1.8), (1.9) được kết hợp với nhau thành mơ hình liên tục trọn
vẹn của động cơ KĐB-RLS trên hệ toạ độ dq (hình 1.2). Hệ phương trình (1.8)
được viết lại dưới dạng mơ hình trạng thái sau đây:

dx f
 A f x f  B f u sf  Nx f  s
dt

(1.10)

với vector trạng thái x f , vector đầu vào u sf :



x fT  isd , isq , rd' , rq'



u sfT  u sd , u sq





Và ma trận hệ thống A f , ma trận đầu vào B f và ma trận tương tác phi tuyến
N. Tại đây ta sẽ nhận thấy sự khác biệt cơ bản của mơ hình trên hệ toạ độ dq (1.10):

đó là sự xuất hiện của thành phần tương tác phi tuyến. Để hiểu rõ hơn ta phải xem
xét bản chất vấn đề, đối tượng ĐCKĐB-RLS được nuôi bởi điện áp stator là một đại
lượng vector đặc trưng bởi: module u s , góc pha ban đầu 0 và vận tốc góc  s (tần
số f s ). Có thể tạm thời bỏ qua khơng xét tới góc pha 0 , ta kết luận: khi biểu diễn
các thành phần của vector đại lượng vào, ngoài module cịn phải có  s . Khi xét cụ
thể ta nhận thấy:


Hai đại lượng đầu vào u sd và u sq của mơ hình trên hệ toạ độ dq (1.10)

là hai đại lượng một chiều, chưa có  s .


Mơ hình (1.10) có chứa tích của vector trạng thái x f với đại lượng vào

thứ ba u i   s , ứng với thành phần phi tuyến yếu mô tả bởi hình 1.3.

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
  1
1 

 

  Ts Tr

0

Af  

1

Tr


0


 1
L
 s
f
B  0

 0

 0






0 


1 
Ls 
0 

0 

Chuyên ngành tự động hóa

- 20 -

1
1  

Tr


1
1 




Tr 
1


 
Tr


1 


Tr 

0
 1
1


 Ts Tr





0
1
Tr

0
 1
; N
0

0

1
0

0
0

0
0
0 0 1

0  1 0

(1.11)

(1.12)



Hình 1.3 Mơ hình trạng thái dạng phi tuyến của ĐCKĐB-RLS trên hệ toạ độ dq

Mơ hình trạng thái (1.10) với các ma trận (1.11), (1.12) các đại lượng đầu vào
phải bao gồm u sd , u sq và  s .Vận tốc góc cơ học  trong ma trận hệ thống A f
được coi là tham số hàm có thể đo được. Điểm của mơ hình này là thành phần phi
tuyến với ma trận N.

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 21 -

Chuyên ngành tự động hóa

Như đã phân tích, những đặc điểm trên sẽ bắt buộc ta phải có những ràng buộc
nhất định khi tìm mơ hình gián đoạn để thiết kế khâu điều chỉnh. Mục tiếp theo ta sẽ
đi xây dựng mơ hình gián đoạn.
1.2.

Mơ hình trạng thái gián đoạn của ĐCKĐB- RLS.

Theo [3] các mơ hình liên tục khơng thích hợp cho việc thiết kế các khâu
điều chỉnh, nguyên nhân là do các thiết bị điều chỉnh (sử dụng µP, µC hoặc DSP)
chỉ tính tốn ở các thời điểm gián đoạn, cách đều. Đại lượng điều khiển là điện
áp, được thực hiện nhờ biến tần nên cũng là gián đoạn. Vì vậy cần phải có mơ
hình gián đoạn của đối tượng động cơ khi thiết kế. Lấy cơ sở là mơ hình liên
tục, ta sẽ xây dựng mơ hình gián đoạn của ĐCKĐB-RLS.
1.2.1.

Xây dựng mơ hình trạng thái gián đoạn.

Theo [3] để gián đoạn hố các mơ hình liên tục ta phải giả thiết rằng các hệ số
hàm cũng như các hệ số phụ thuộc trạng thái có thể được coi là hằng trong phạm vi
một chu kỳ trích mẫu đủ nhỏ. Nhờ đó, hệ (3.3) có thể được gọi là hệ tuyến tính và
có hệ số hằng trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu. Để đạt được mục tiêu đó ta
phải chọn hằng số thời gian trích mẫu đủ nhỏ sao cho các ma trận trong mơ hình
thu được ở phần 1.1 có thể coi là hằng trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu.
Hệ tuyến tính với hệ số hằng có phương trình dạng như sau:

 
x

 y  t  

A.x  t  
C.x  t 

B.u  t 

(1.13)

Với sơ kiện đầu: x0  x  t0   x  0 
Phương trình có nghiệm là:
t

 t , x0 , t 0    t , t 0 x0    t , B  u  d , t  t 0

(1.14)

t0

CBHDKH: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HV:Nguyễn Thị Dương