Mô phỏng và thực nghiệm điều khiển sensorless động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng bộ biến đổi ma trận

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

NGUYỄN KHÁNH TỪ TÂM

MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN
SENSORLESS ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN
Chuyên ngành : Tự động hóa
Mã số: 605260

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ .......................
Ký tên
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................
Ký tên
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................
Ký tên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM, ngày . . . . . tháng . . . . năm 201….
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ............................................................ ………..

2. ............................................................ ………..
3. ............................................................ ………..
4. ............................................................ ……….
5. ............................................................ ………..
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ
Họ và tên học viên: NGUYỄN KHÁNH TỪ TÂM

Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1986

Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành: Tự động hóa

MSHV: 10150050

I.

Tên đề tài:
MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN SENSORLESS
ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN

II.

Nhiệm vụ đề tài:
- Nghiên cứu bộ biến đổi ma trận và các giải thuật điều biến vòng hở.
-Nghiên cứu các giải thuật ước lượng tốc độ động cơ KĐB 3 pha.
- Xây dựng mơ hình mô phỏng điều khiển định hướng trường từ thông
rotor kết hợp điều khiển sensorless động cơ KĐB 3 pha.
- Thiết kết và thi công phần cứng bộ biến đổi ma trận.
- Lâp trình điều khiển sensorless động cơ KĐB, kiểm chứng các kết quả
thực nghiệm đạt được so với mô phỏng.

III.

Ngày giao nhiệm vụ: 04/07/2011

IV.

Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/11/2012

V.

Họ và tên cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ

CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn PGS. TS Nguyễn Văn Nhờ
đã tận tình giúp đỡ, truyền đạt cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm quý báu để
tơi có thể hồn thành được luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn TS. Huỳnh Thái Hoàng, người thầy hướng dẫn
luận văn ở bậc đại học, đã cho tôi những kiến thức và định hướng trong việc
phát triển luận văn ở bậc thạc sĩ sau này.
Ngồi ra, tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô khoa Điện –
Điện Tử, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Điều khiển Tự Động đã cho tôi
một nền tảng kiến thức nhất định để có thể tiếp tục theo đuổi đam mê nghiên
cứu của mình.
Xin cám ơn Gia đình và những người bạn thân đã ln bên cạnh động
viên và giúp tơi vượt qua những khó khăn trong học tập cũng như trong cuộc
sống.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 12/12/2012

Nguyễn Khánh Từ Tâm


MỤC LỤC
BẢNG KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..............................................................
TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN .................................................................

i1

Chương 1: BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN

1

i4

1.1 Tổng quan về lược sử phát triển bộ biến đổi ma trận………………………. 2
1.2 Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi ma trận.......................................................... 6
1.3 Các phương pháp điều chế của bộ biến đổi ma trận…………....................... 20
1.3.1 Giải thuật điều chế Venturini………………………………………….. 10
1.3.2 Giải thuật điều chế vectơ không gian………………………………….. 15
1.3.3 Giải thuật điều chế sóng mang………………………………………… 20
1.4 Phương pháp chuyển mạch bốn bước cho bộ biến đổi ma trận…………...... 23
1.4.1 Giải thuật bốn bước chuyển mạch theo dòng tải……………………..... 23
1.4.2 Giải thuật chuyển mạch bốn bước theo áp vào………………………...

23

Chương 2: ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN…………………………………………………………………… 49
2.1 Tổng quan về động cơ KĐB……………........................................................ 32
2.1.1 Tầm quan trọng………………………………………………………….

25

2.1.2 Cấu tạo và đặc điểm của động cơ KĐB…………………………………

27

2.1.3 Sơ đồ mạch điện tương đương của động cơ KĐB………………………

28

2.1.4 Phép biến đổi hệ trục tọa độ trong mơ hình hóa động cơ KĐB…………

30

2.1.5 Mơ tả các phương trình ĐCKĐB trong hệ tọa độ đứng yên Stator…......

31

2.1.6 Mô tả các phương trình ĐCKĐB trong hệ tọa độ quay rotor…………… 32
2.2 Các phương pháp điều khiển động cơ KĐB………………………………… 49
2.2.1 Phương pháp điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor………..

38

2.2.1.1 Động cơ KĐB cấp bởi nguồn dòng……………………………… 34
2.2.1.2 Động cơ KĐB cấp bởi nguồn áp……………………………….... 38


2.2.1.3 Ước lượng biên độ và vị trí của VTKG từ thông rotor………….

46

2.2.1.3.1 Các phương pháp ước lượng trong điều khiển định 29
hướng trường trực tiếp………………………………...

32

2.2.1.3.2 Ước lượng gián tiếp (feed-forward) từ thông rotor…... 46
2.2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment (DTC).…………………….. 49

Chương 3: ĐIỀU KHIỂN SENSORLESS ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 68
3.1 Hạn chế của phương pháp ước lượng tốc độ chỉ dựa trên mơ hình động cơ…….

53

3.2 Ước lượng tốc độ vịng kín cho động cơ KĐB……...……….……………..

68

3.2.1 Điều khiển thích nghi mơ hình chuẩn MRAS…….………….………...

63

3.2.1.1 Điều khiển MRAS thơng thường………………………………..

58

3.2.1.2 Điều khiển MRAS cải tiến có chứa mạng neuron 2 lớp….……..

63

3.2.2 Điều khiển thích nghi sử dụng bộ quan sát trạng thái Luenberger…….. 68

Chương 4: MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG TRONG

ĐIỀU KHIỂN RFOC ĐỘNG CƠ KĐB………………………………………..
4.1 Mơ hình và thơng số của hệ thống................................................................... 69
4.2 Kết quả mô phỏng của điều khiển động cơ KĐB dựa trên RFOC khi sử
dụng các thuật toán ước lượng………………………………………………

49

Điều kiện thông số động cơ cố định…………………………………..

79

4.2.1

4.2.1.1 Kết quả mô phỏng khi sử dụng khối MRAS thông thường……... 75
4.2.1.2 Kết quả mơ phỏng khi sử dụng khối MRAS có chứa ANN 2 lớp. 77
4.2.1.3 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ ước lượng trạng thái LO……. 79
4.2.1.4 Nhận xét…………………………………………………………. 79


4.2.2

Điều kiện điện trở stator của động cơ thay đổi……………………….. 83
4.2.2.1 Kết quả mô phỏng khi sử dụng khối MRAS thông thường……

80

4.2.2.2 Kết quả mô phỏng khi sử dụng khối MRAS có chứa ANN 2 lớp. 81
4.2.2.3 Kết quả mơ phỏng khi sử dụng bộ ước lượng trạng thái LO……. 82
4.2.2.4 Nhận xét…………………………………………………………. 83
Chương 5: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG

91

5.1 Sơ đồ khối và mơ hình của hệ thống ............................................................. 85
5.2 Các khối chức năng chính của hệ thống ........................................................ 91
5.2.1

Vi điều khiển TMS320F28335…………………….............................. 86

5.2.2

FPGA Spartan 3E………………………………………......................

87

5.2.3

Mạch nguồn …………………………………………………….........

87

5.2.4

Mạch kích lái IGBT……………………………………………........... 88

5.2.5

Mạch cảm biến dịng và áp……………………....................................

5.2.6

Mạch lọc ngõ vào…………………....................................................... 89

5.2.7

Khóa đóng ngắt……………………………………………………….. 90

5.2.8

Mạch kẹp……………………………………………………………...

90

5.2.9

Cổng giao tiếp FT232 ………………………………………………..

91

5.2.10 Động cơ không đồng bộ - máy phát…………………………………..

91

89

5.2.11 Máy biến áp 1 pha, 3 pha……………………………………………... 91
Chương 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN SENSORLESS ĐỘNG
CƠ KĐB SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN

98

6.1 Thông số thực nghiệm…………………….................................................... 92
6.1.1 Thông số phần cứng............................................................................... 92
6.1.2

Sơ đồ điều khiển....................................................................................

93

6.1.2.1 Sơ đồ điều khiển thực hiện trên DSP……………………………

92


6.1.2.2 Sơ đồ điều khiển thực hiện trên FPGA………………………….

93

6.2 Kết quả thực nghiệm………………………………………………….........

97

6.2.1

Phương pháp ước lượng MRAS thông thường…….............................

95

6.2.2

Phương pháp ước lượng sử dụng bộ quan sát trạng thái Luenberger
toàn bậc……………………………………………………………….

97

6.3 Nhận xét…………………………………………………………………….

98

Chương 7: ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
7.1 Đánh giá ........................................................................................................ 100
7.2 Hướng phát triển đề tài .................................................................................. 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………..........................

102


Bảng kí hiệu và chữ viết tắt

BẢNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN VĂN
MC

Bộ biến đổi ma trận

MARS

Hệ thống điều khiển thích nghi mơ hình chuẩn

ANN

Mạng thần kinh Neuron nhân tạo

FLC

Fuzzy logic control

ĐCKĐB

động cơ không đồng bộ

KĐB

không đồng bộ

AC

điện xoay chiều (Anternating Current)

DC

điện một chiều (Direct Current)

RFOC

điều khiển định hướng từ thông rotor (Rotor Field Oriented Control)

DTC

điều khiển trực tiếp moment (Direct Torque Control)

VSI

Voltage Source Inverter

CSI

Current Source Inverter

PWM

điều rộng xung (Pulse Width Modulation)

CPWM

Carrier Pulse Width Modulation

SPWM

Sine Pulse Width Modulation

SVPWM

Space Vector Pulse Width Modulation

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

PI

Proportional Integral

THD

Total Harmonic Distortion

(…)

biểu thức tốn học hoặc hình minh họa

[...]

tài liệu tham khảo

f i (i a, b, c) ký hiệu dùng trong biểu thức hệ tọa độ abc
fj j

fx x

,

d,q

f ref ; f *

ký hiệu dùng trong biểu thức hệ tọa độ đứng yên αβ
ký hiệu dùng trong biểu thức hệ tọa độ quay dq
giá trị tham khảo, giá trị đặt
i1

Bảng kí hiệu và chữ viết tắt

i

(i

x, y)

vector từ thơng trong hệ quy chiếu x,y bất kỳ (λi)

im

vector không gian dịng điện mạch từ

us

vector khơng gian điện áp stator

ur

vector khơng gian điện áp rotor

is

vector khơng gian dịng điện stator

ir

vector khơng gian dịng điện rotor

r

vector khơng gian từ thơng rotor

s

vector khơng gian từ thơng stator

s

góc giữa vector điện áp stator với trục

s

góc giữa vector từ thơng stator với trục

r

góc giữa vector từ thông rotor với trục

f1

tần số nguồn điện (Hz)

f2

tần số dịng điện rotor (Hz)
tốc độ góc rotor (rad/s)
r

tốc độ quay của từ thơng rotor (rad/s)

a

tốc độ góc hệ quy chiếu bất kỳ (rad/s)

Lr

điện kháng tản của cuộn dây quấn rotor (H)

Ls

điện kháng tản của cuộn dây quấn stator (H)

Lm

hỗ cảm giữa stator và rotor (điện cảm từ hóa) (H)

Lr

điện cảm rotor (H) (Lr = Lm +Lδr)

Ls

điện cảm stator (H) (Ls = Lm +Lδs)

Rr

điện trở dây quấn rotor (Ω)

Rs

điện trở dây quấn stator (Ω)

Te

moment điện từ động cơ (N.m)

TL

moment tải (N.m)
i2


Bảng kí hiệu và chữ viết tắt

J

moment quán tính (kg.m2)

Vdc

điện áp một chiều của bộ nghịch lưu (V)

P

số đôi cực từ của dây quấn stator

n1

tốc độ đồng bộ (vòng/phút)

n2

tốc độ rotor (vòng/phút)

s

hệ số trượt

isabc

dòng điện startor pha a,b,c

i

r

thành phần dòng điện rotor trong hệ tọa độ đứng yên stator (αβ) trên trục α

i

r

thành phần dòng điện rotor trong hệ quy chiếu đứng yên stator (αβ) trên trục β

i

s

thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ đứng yên stator (αβ) trên trục α

i

s

thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ đứng yên stator (αβ) trên trục β

idr

thành phần dòng điện rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục d

iqr

thành phần dòng điện rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục q

ids

thành phần dòng điện stator trong hệ quy chiếu quay dq trên trục d

iqs

thành phần dòng điện stator trong hệ quy chiếu quay dq trên trục q

u

s

thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ đứng yên stator (αβ) trên trục α

u

s

thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ đứng yên stator (αβ) trên trục β

udr

thành phần điện áp rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục d

u qr

thành phần điện áp rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục q

i3


Tóm tắt nội dung luận văn

TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
o Giới thiệu chung
Bộ biến đổi ma trận (MC)
Ngày nay, cùng với các bước tiến có ý nghĩa trong cơng nghệ biến đổi công suất
hiện đại, nền công nghiệp đang địi hỏi một sự thay thế thích hợp cho các bộ biến đổi
công suất với các bộ nghịch lưu điện áp truyền thống. Nhiều mơ hình chuyển đổi cơng
suất hiện đại và các phương pháp điều khiển khác nhau được đưa ra, trong đó bộ biến
đổi ma trận là một trong những giải pháp linh hoạt, tin cậy và thu hút rất nhiều sự quan
tâm nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất. Đến nay, bộ biến đổi ma trận đã có
cấu tạo và các phương pháp điều khiển tương đối hoàn chỉnh. Việc sử dụng bộ biến đổi
ma trận đã được ứng dụng vào công nghiệp ở một số nước tiên tiến và hứa hẹn sẽ trở

thành một mơ hình hồn thiện theo đà phát triển của cơng nghệ.
Bộ biến đổi ma trận là một bộ chuyển đổi AC-AC có khả năng chuyển đổi dạng
sóng điện áp ngõ vào thành điện áp ngõ ra hình sin với tỉ số điều chế tối đa 0.866, hệ
số công suất ngõ vào bằng 1. Hệ thống ba pha của bộ biến đổi ma trận gồm 9 công tắc
hai chiều được phân bố theo ma trận 3x3 như hình 1. Việc phân bố các công tắc bán
dẫn 2 chiều như vậy để các pha ngõ ra có thể được kết nối với các pha ngõ vào trong
bất kì khoảng thời gian đóng ngắt nào. Các công tắc được điều khiển sao cho điện áp
ngõ trong bất kì khoảng thời gian đóng ngắt nào. Các công tắc được điều khiển sao
cho điện áp ngõ ra trung bình có dạng sóng sin với biên độ và tần số mong muốn.
S i j (i = A, B, C; j= a,b,c)

a
sAa

b
sAb

c
sAc

sBa

sBb

s Bc

sCa

sCb

sCc

A
B

Load

C

Hình 1 Mơ hình đơn giản hóa của bộ biến đổi ma trận

i4


Tóm tắt nội dung luận văn

Đối với các biến tần truyền thống, ngoài hai bộ phận chỉnh lưu và nghịch lưu
cịn u cầu bắt buộc phải có tụ điện đủ lớn để tích lũy năng lượng. Các tụ điện loại
này trong cơng nghiệp thường cồng kềnh, đắt tiền, có tính dung nạp thấp đối với nhiệt
độ cao và tuổi thọ tương đối ngắn.
Bộ biến đổi ma trận có thể được xem là “giải pháp toàn bán dẫn” của vấn
đề chuyển đổi cơng suất AC-AC. So với mơ hình chỉnh lưu/nghịch lưu thơng thường,
bộ biến đổi ma trận có nhiều ưu điểm. Cấu trúc của nó khơng địi hỏi bộ lưu trữ năng
lượng bằng liên kết DC. Điều này loại trừ được các nhược điểm do tụ điện gây ra, do
đó một hệ thống chuyển đổi gọn nhẹ và hiệu quả có thể được thiết kế.
Với việc giảm giá thành của các sản phẩm bán dẫn trong những năm gần đây bộ
biến đổi ma trận đã trở thành một sự thay thế hấp dẫn cho các bộ chuyển đổi đấu lưng
(back to back converter). Những giải pháp hiệu quả và cải tiến cho bộ biến đổi ma trận
sẽ đẩy mạnh quá trình thương mại hóa của bộ chuyển đổi này trong các ứng dụng như
các thiết bị động cơ liền máy, hàng không và các ứng dụng thủy lực nơi mật độ cơng

suất, khơng gian và khối lượng đóng vai trị chính. Trong thực tế, hiện nay ở một số
quốc gia phát triển, bộ biến đổi ma trận với công suất tới hàng chục Megawatt đã được
ứng dụng vào công nghiệp ở một số quốc gia phát triển, và nghiên cứu ở một số trường
đại học trên thế giới (Nottingham…)
Điều khiển Sensorless động cơ không đồng bộ
Trong các hệ thống truyền động, việc gắn cảm biến trên trục máy là nói chung
khơng được mong đợi vì một số lý do. Đầu tiên phải nói đến chi phí đáng kể. Thứ hai,
việc gắn kết chúng địi hỏi máy phải có 2 đầu trục ra, 1 đầu trục kết nối cảm biến, và
đầu còn lại để kết nối với khớp tải. Thứ ba, các tín hiệu điện từ các bộ cảm biến trục
phải được đưa vào vi xử lý và sensor cần phải có nguồn cung cấp. Cuối cùng, sự hiện
diện của cảm biến trục làm giảm đi độ bền cơ học và độ tin cậy của máy. Vì tất cả các
nguyên nhân trên, trong quá khứ, đã có nhiều nỗ lực đáng kể nhằm loại bỏ vấn đề kết
nối encoder lên trục máy. Tuy nhiên các thông tin liên quan đến tốc độ hoặc vị trí của
i5


Tóm tắt nội dung luận văn

trục rotor vẫn cần thiết cho việc điều khiển vị trí hoặc tốc độ vịng kín ngay cả khi
khơng cài đặt cảm biến trục. Do đó, tốc độ (và / hoặc vị trí) có thể được ước tính bằng
cách nào đó, từ các đại lượng điện dễ đo lường (điện áp và dòng stator).
Vấn đề điều khiển vectơ sensorless 1 động cơ KĐB đã thu hút sự chú ý rộng rãi
trong những năm gần đây.Nhiều nỗ lực đã được thực hiện trong quá khứ để suy ra tín
hiệu tốc độ của động cơ KĐB từ dòng và điện áp stator đo được. Các nỗ lực đầu tiên bị
giới hạn về mặt giải thuật khi giải pháp chỉ có giá trị trong miền hoạt động ổn định và
chỉ có thể được sử dụng trong các ứng dụng truyền động chi phí thấp, khơng u cầu
khả năng đáp ứng động cao. Trong khi ở truyền động không cảm biến của các ứng
dụng có hiệu suất cao, thơng tin về tốc độ và điều khiển phải được cung cấp với độ
chính xác đến 0.5% hoặc tốt hơn, từ zero đến tốc độ cao nhất, cho mọi điều kiện hoạt
động và độc lập với các cấp độ bão hòa, với sự thay đổi của các thông số. Do vậy, các

kĩ thuật điều khiển không cảm biến mà vẫn đảm bảo chất lượng hệ thống địi hỏi tính
phức tạp cao hơn.
Đến nay, sau nhiều năm phát triển, đã có nhiều giải thuật ước lượng hiệu quả
được đề xuất. Các phương pháp này tuy đa dạng nhưng có thể chia thành 3 nhóm
chính:
 Hệ thống thích nghi mơ hình chuẩn (MRAS).
 Mơ hình ước lượng sử dụng bộ quan sát trạng thái.
 Mơ hình ước lượng tốc độ sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng.
Điều khiển sensorless động cơ KĐB sử dụng bộ biến đổi ma trận
Một hệ thống điều khiển động cơ KĐB nhỏ gọn và có độ tin cậy cao có thể đạt
được bằng cách kết hợp những ưu điểm nổi trội của bộ biến đổi ma trận (so với các bộ
chuyển đổi cơng suất truyền thống) và tính chính xác, tin cậy của các phương pháp
điều khiển ước lượng tốc độ không cảm biến động cơ KĐB. Đây cũng là một xu hướng
nghiên cứu khá mới mẻ trên thế giới hiện nay.
i6


Tóm tắt nội dung luận văn

Cấu hình tổng qt của mơ hình điều khiển sensorless động cơ KĐB sử dụng
bộ biến đổi ma trận được minh họa ở hình 2 bên dưới.
Điện áp ngõ vào

va

 *r 


PI

iq* 

PI


*

id




uq* 
dq


eq

u 
PI

u


*
d





Giải
thuật
điều
biến

u

Gate
driver

vb

vc

Bộ biến đổi
ma trận

ed

iq* sl
*
Ti
rd

ˆe
ˆr



ˆe
iA

i

Khối
ước
lượng

abc
i 



id
iq

iB

iC

IM



dq

Hình 2 Mơ hình tổng qt điều khiển sensorless động cơ KĐB sử dụng bộ biến đổi ma
trận
o Nội dung thực hiện luận văn

-

Xây dựng hoàn thiện một mơ hình thực nghiệm bộ biến đổi ma trận, sử dụng tải
động cơ.

-

Tìm hiểu lý thuyết về các phương pháp điều biến để điều khiển bộ biến đổi ma
trận, chủ yếu tập trung vào 2 phương pháp: điều biến dùng sóng phương pháp
sóng mang và vector khơng gian. Mô phỏng và thực nghiệm các phương pháp
điều biến này.

-

Xây dựng chương trình mơ phỏng và thực nghiệm điều khiển định hướng
trường theo từ thông rotor (RFOC) động cơ không đồng bộ cấp nguồn bằng bộ
biến đổi ma trận.
i7


Tóm tắt nội dung luận văn

-

Xây dựng mơ hình tốn các mơ hình ước lượng tốc độ động cơ KĐB: mơ hình
MRAS, MRAS cải tiến và bộ quan sát trạng thái Luenberger.

-

Dựa trên các mơ hình tốn đã xây dựng, tiến hành mô phỏng và thực nghiệm
điều khiển Sensorless động cơ KĐB sử dụng bộ biến đổi ma trận.

-

Dựa trên những kết quả có được từ mơ phỏng và thực nghiệm, đưa ra đánh giá,
kết luận và hướng phát triển cho đề tài.

o Cấu trúc của luận văn:
Cấu trúc luận văn gồm có 7 chương như sau:
Chương 1: Bộ biến đổi ma trận
Chương 2: Động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển
Chương 3: Điều khiển Sensorless động cơ khơng đồng bộ
Chương4: Mơ phỏng các thuật tốn ước lượng tốc độ trong mơ hình điều khiển
RFOC động cơ KĐB.
Chương 5: Thiết kế và thi công phần cứng
Chương 6: Kết quả thực nghiệm điều khiển Sensorless động cơ KĐB sử dụng bộ biến
đổi ma trận
Chương 7: Đánh giá và định hướng phát triển của đề tài

i8


LỜI CAM KẾT
Tôi xin cam kết các nội dung lý thuyết trình bày trong luận văn này là do tơi
tham khảo các tài liệu và biên soạn lại, tất cả các kết quả mơ phỏng, thực nghiệm đều
do chính bản thân tơi tự làm ra, hồn tồn khơng phải sao chép của từ bất kỳ một tài
liệu hoặc cơng trình nghiên cứu nào khác.
Nếu tôi không thực hiện đúng các cam kết nêu trên, tơi xin chịu hồn tồn trách
nhiệm trước kỷ luật của nhà trường cũng như pháp luật Nhà nước.

Nguyễn Khánh Từ Tâm


Chương 1

Bộ biến đổi ma trận

Chương 1
BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN

1.1 Tổng quan về lược sử phát triển bộ biến đổi ma trận
Việc phát triển một mơ hình thực tế của bộ biến đổi ma trận bắt đầu từ cơng
trình của Venturini và Alesina vào năm 1980 . Họ đã trình bày mạch cơng suất của bộ
biến đổi như một ma trận của các công tắc 2 chiều và đặt tên là “ matrix converter” .
Một trong những đóng góp chính của Venturini và Alesina là việc phát triển một phân
tích tốn học chặt chẽ để biểu diễn hoạt động ở tần số thấp của bộ biến đổi, đưa ra quan
niệm về “ma trận điều biến tần số thấp”. Trong phương pháp điều biến của họ, được
biết đến như là một phương pháp hàm chuyển đổi trực tiếp, các điện áp ngõ ra mong
muốn có được từ phép nhân của ma trận điều biến với các điện áp ngõ vào. Một
phương pháp điều khiển khác dựa trên ý tưởng “ liên kết dc ảo” được giới thiệu bởi
Rodriguez vào năm 1983. Trong phương pháp này việc đóng ngắt được sắp xếp sao
cho mỗi đường ra được chuyển đổi giữa các đường ngõ vào dương nhất và âm nhất sử
dụng kĩ thuật điều biến PWM vốn được sử dụng trong các bộ biến đổi nguồn áp chuẩn.
Khái niệm này còn được biết đến như là một phương pháp hàm “chuyển đổi gián tiếp”.
Vào năm 1985-1986, Ziogas et al đã xuất bản 2 bài báo để mở rộng ý tưởng liên kết dc
ảo của Rodriguez kèm theo một giải thích tốn học chặt chẽ. Vào năm 1983 Braun và
năm 1985 Kastner và Rodriguez đã đề cập đến việc sử dụng vector không gian vào
việc nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi ma trận. Bằng thực nghiệm Kastner và
Rodriguez đã cho thấy bộ biến đổi ma trận với 9 công tắc xoay chiều có thể được sử

dụng một cách hiệu quả trong việc điều khiển vectơ của một động cơ không đồng bộ
với chất lượng của dòng điện ngõ ra và ngõ vào cao. Năm 1989, một số bài báo được
xuất bản đã vận dụng nguyên tắc của điều biến vector không gian để điều khiển bộ biến
đổi ma trận cùng với các vấn đề về điều biến. Các phương pháp điều biến dựa trên
phương pháp Veturini được xem như “các phương pháp trực tiếp”. Trong khi các
phương pháp dựa trên liên kết dc ảo được biết đến như “các phương pháp gián tiếp”.
1


Chương 1

Bộ biến đổi ma trận

Ngày nay, vấn đề nghiên cứu bộ biến đổi ma trận được phát triển theo hai
trường phái chủ yếu: trường phái Vectơ không gian (VTKG) và trường phái Sóng
mang. Trong khi trường phái VTKG thể hiện ưu điểm trong bề dày nghiên cứu lâu đời
với các giải thuật đã được chuẩn hóa thì trường phái Sóng mang thể hiện tính mới mẻ
trong cách tiếp cận, tính đơn giản trong giải thuật và khả năng kiểm sốt chất lượng
MC tương tự phương pháp VTKG. Các cơng trình cơng bố đáng chú ý của phương
pháp Sóng mang là của các nhóm tác giả Y.D.Yoon [6] và Yulong Li [7], BingSen
Wang [8] và Nguyễn Văn Nhờ [9] . Trong các cơng trình [6-9], kĩ thuật PWM dựa trên
phương pháp sóng mang với tỉ số điều biến tối đa 0.866, dịng ngõ vào hình sin và hệ
số cơng suất ngõ vào bằng 1 được đề xuất. Tuy nhiên, kĩ thuật điều khiển hàm Offset
được vận dụng khác nhau trong từng giải thuật. Ở [6], các hàm Offset khác zero và các
sóng mang khác nhau được sử dụng trong 2 nửa tam giác của chu kì PWM. Ở [7], hàm
offset được sử dụng giống nhau trong 2 nửa tam giác của chu kì PWM, Offset Zero
được sử dụng cho các khoảng có tỉ số điều biến nhỏ hơn 0.5 và hàm Offset Venturini
cho các khoảng với tỉ số điều biến lớn hơn 0.5. Trong cơng trình [9], một hàm Offset
tổng quát được đề xuất với giới hạn điều khiển bao quát được tính chất các hàm Offset
đã đề cập. Việc tìm ra giới hạn kiểm sốt hàm Offset này có ý nghĩa rất lớn trong vấn

đề cải tiến, nâng cao chất lượng hoạt động của bộ biến đổi ma trận: giảm thiểu chuyển
mạch, giảm điện áp Common Mode (CMV)….

1.2 Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi ma trận
Hệ thống ba pha của bộ biến đổi ma trận gồm 9 công tắc hai chiều được phân bố
theo ma trận 3x3 như hình 1. Việc phân bố các cơng tắc 2 chiều như vậy để các pha
ngõ vào (a, b,c) có thể được kết nối với các pha ngõ ra (A, B, C) trong bất kì khoảng
thời gian đóng ngắt nào. Các công tắc được điều khiển sao cho điện áp ngõ ra trung
bình có dạng sóng sin với biên độ và tần số mong muốn.

2


Chương 1

Bộ biến đổi ma trận

Hình 1.1: Sơ đồ bộ biến đổi ma trận 3 pha AC-AC

Hàm đóng ngắt cho mỗi cơng tắc s , trên hình 1.1, được mơ tả :
S (t) =

1,
0,

S đóng
, i ∈ {A, B, C} , j ∈ {a, b, c}
S hở

(1.1)

Vì MC được cung cấp trực tiếp bởi các điện áp nguồn nên hai pha ngõ vào không
được ngắn mạch và do bản chất cảm điện của tải, các pha ngõ ra không được hở mạch.
Điều kiện này được biểu diễn bởi :
S + S + S = 1, i ∈ {A, B, C}

(1.2)

Bộ biến đổi ma trận có 9 cơng tắc hai chiều với 2 (512) trạng thái đóng
ngắt có thể. Tuy nhiên với ràng buột ở đẳng thức (2), các công tắc của bộ biến đổi ma
trận chỉ có 27 kết hợp cho phép. Các kết này có thể được phân thành ba nhóm:
- Nhóm thứ nhất gồm sáu kết hợp mà mỗi pha ngõ ra được kết nối với pha ngõ
vào khác nhau.
- Nhóm thứ hai, gồm 18 kết hợp có 1 áp dây ngõ ra bằng 0.

3


Chương 1

Bộ biến đổi ma trận

- Ở nhóm 3, có 3 kết hợp mà các áp dây ngõ ra đều bằng 0.
Bảng 1.1 Các kết hợp đóng ngắt của bộ biến đổi ma trận
Nhóm

I

II.A

II.B

II.C

III

A

B

C

Điện áp dây ngõ
ra

vAB
vab

Dịng pha ngõ
vào

Trạng thái đóng ngắt

vBC

vCA

ia

ib

ic

s Aa

s Ab

s Ac

sBa

sBb

s Bc

sCa

sCb

sCc

vbc

vca

iA

iB

iC

1

0

0

0

1

0

0

0

1

a

b

c

a

c

b

vca vbc

vab

iA

iC

iB

1

0

0

0

0

1

0

1

0

b

a

c

iA

iC

0

1

0

1

0

0

0

0

1

c

a

vbc
vab

iB

b

vab vca
vbc vca

iB

iC

iA

0

1

0

0

0

1

1

0

0

c

a

b

vca

vbc

iC

iA

iB

0

0

1

1

0

0

0

1

0

c

b

a

0

0

1

0

1

0

1

0

0

c

iC
iA

iA

c

vca
vca

iB

a

0

i A

1

0

0

0

0

1

0

0

1

b

c

c

vbc vab
vca 0
0
vbc

0

iA

i A

0

1

0

0

0

1

0

0

1

b

a

a

vbc
vab

i A

iA

0

0

1

0

1

0

0

1

0

1

c

a

a

i A

0

iA

0

0

1

1

0

0

1

0

0

c

b

b

vca
vbc

0

i A

iA

0

0

1

0

1

0

0

1

0

a

b

0

vab

iA

i A

0

1

0

0

0

1

0

0

1

0

c

vca
vbc

0

iB

0

i B

0

0

1

1

0

0

0

0

1

vab

vab
vca

0

0

b

vbc
vab

a

c

vca

c

b

c

0

0

iB

i B

0

0

1

0

1

0

0

0

1

a

b

a

0

i B

iB

0

1

0

0

0

1

0

1

0

0

a

c

a

vbc
vab vab
vca vca

0

i B

0

iB

1

0

0

0

0

1

1

0

0

b

c

b

vbc

0

0

i B

iB

0

1

0

0

0

1

0

1

0

b

a

b

vab

vbc
vab

0

iB

i B

0

0

1

0

1

0

0

0

1

0

c

c

a

0

vca

iC

0

iC

0

0

1

0

0

1

1

0

0

c

c

b

0

0

iC

iC

0

0

1

0

0

1

0

1

0

a

a

b

0

vbc
vab

vca
vbc

iC

iC

0

1

0

0

1

0

0

0

1

0

a

a

c

0

vab
vca

iC

0

iC

1

0

0

1

0

0

0

0

1

b

b

c

0

0

iC

iC

0

1

0

0

1

0

0

0

1

b

b

a

0

vab

vbc
vab

iC

iC

0

0

1

0

0

1

0

1

0

0

a

a

a

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

0

b

b

b

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

c

c

c

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

vca
vbc

4

Chương 1

Bộ biến đổi ma trận

Các điện áp ngõ ra và các điện áp nguồn trong hình 1.1 có thể được biểu diễn
bởi các vectơ :
( )
( ) ,
( )

[ ( )] =

[ ( )]=

( )
( )
( )

(1.3)

liên hệ giữa các điện áp này được biễu biễn:
( )
( ) =
( )

( )
( )
( )
[ ( )]

( )
( )
( )

( )
( ) .
( )

( )
( )
( )

= T. [ ( )]

(1.4)

(1.5)

, với T là ma trận chuyển đổi tức thời.

Tương tự, ta cũng có các mối liên hệ giữa các dịng điện ngõ ra và ngõ vào:

, với

[ ( )] =

( )
( )
( )

[ ( )] =

. [ ( )]

, [ ( )] =

( )
( )
( )

(1.6)

(1.7)

là ma trận chuyển vị của T.

Các đẳng thức (1.4) và (1.6) cho thấy các mối quan hệ giữa các đại lượng ngõ
vào và ngõ ra MC. Để rút ra được quy tắc điều biến cơ bản, một giản đồ đóng ngắt tiêu
biểu được minh họa ở hình 1.2:
sAa  1

sBa  1

sCa  1

s Ab  1

sBb  1

s Ac  1

sBc  1

sCb  1

sCc  1

Ts

Hình 1.2: Giản đồ đóng ngắt tiêu biểu của MC
5


Chương 1

Bộ biến đổi ma trận

Xem như các công tắc điện 2 chiều làm việc ở tần số cao, lúc đó điện áp ngõ ra
tần số thấp của các biên độ và tần số thay đổi có thể được tạo ra bởi việc điều biến chu
kì nhiệm vụ của các cơng tắc sử dụng các hàm đóng ngắt tương ứng của chúng. Chu kì
nhiệm vụ điều biến được định nghĩa cho mỗi công tắc để xác định trạng thái trung bình
cho dạng sóng điện áp ngõ ra, chu kì nhiệm vụ điều biến được định nghĩa bởi:
( )=

(1.8),

biểu diễn cho thời gian ON của công tắc

là thời gian tổng thể của chuỗi đóng

và

ngắt trong biểu đồ PWM.

Phương pháp điều biến được định nghĩa bằng cách sử dụng các hàm thời gian
này:
( )
( ) =
( )

( )
( )
( )

( )
( )
( )

( )
( ) .
( )

( )
( )
( )

(1.9)

( )
( ) =

( )

( )
( )
( )

( )
( )
( )

( )
( ) .
( )

( )
( )
( )

(1.10)

Các điện áp

,

suốt chu kì đóng ngắt

và các dịng điện

,

,

,

là các giá trị trung bình trong

. Các biểu thức (1.9) và (1.10) có thể được viết lại ở dạng thu

gọn, với [ ( )] được gọi là ma trận điều biến.
[ ( )] = [ ( )] . [ ( )]

(1.11)

[ ( )] =[ ( )] . [ ( )]

(1.12)

Lúc này biểu thức ràng buột của MC có thể được viết lại:
+

+

= 1,

i ∈ { , , }.

6

(1.13)

Chương 1

Bộ biến đổi ma trận

1.3 Các phương pháp điều chế của bộ biến đổi ma trận
1.3.1 Giải thuật điều chế Venturini
Trong phương pháp Venturini, các xung kích của mỗi một trong 9 khóa được
tính tốn để tạo ra tần số có thể thay đổi được và/hoặc điện áp ngõ ra dạng sin biên độ
có thể biến đổi từ việc điều chế tần số và biên độ điện áp ngõ vào.
Giả sử điện áp pha ngõ vào và dòng điện pha ngõ ra được biểu diễn bởi:
(
[ ( )]

=

(
(

.

(
và

[ ( )]

=

.

(
(

)
− 120°)
+ 120°)

+ )
− 120° +
+ 120° +

(1.14)

)
)

(1.15)

Mục đích là tìm ma trận điều biến M(t), để thỏa mãn đẳng thức (1.16) và
(1.17) cũng như ràng buột (1.13)
(
[ ( )] = q.

.

[ ( )] = q.

(

)

(

)

q là tỉ số truyền dẫn điện áp,

và

(
(

)
− 120°)
+ 120°)
(

.

(
(

+ )
− 120° +
+ 120° +

là các tần số ngõ vào và ngõ ra,

(1.16)

)
)

(1.17)

và

tương

ứng là các góc dịch pha ngõ vào và ngõ ra. Có 2 giải pháp cơ bản được Veturini đưa ra
trong các đẳng thức (1.18) và (1.19)

7


Chương 1

[

( )]

Bộ biến đổi ma trận

1 + 2q cos(ω t)
1 + 2q cos(ω t + 120°) 1 + 2q cos(ω t − 120°)
1 + 2q cos(ω t − 120°)
1 + 2q cos(ω t)
1 + 2q cos(ω t + 120°)
1 + 2q cos(ω t + 120°) 1 + 2q cos(ω t − 120°)
1 + 2q cos(ω t)

=

=

với
[

−

(1.18)

1 + 2q cos(ω t)
1 + 2q cos(ω t + 120°) 1 + 2q cos(ω t − 120°)
1 + 2q cos(ω t + 120°) 1 + 2q cos(ω t − 120°)
1 + 2q cos(ω t)
1 + 2q cos(ω t − 120°)
1 + 2q cos(ω t)
1 + 2q cos(ω t + 120°)

( )] =

=

với

+

(1.19)

Với ma trận điều biến ở đẳng thức (1.18) , độ dịch chuyển pha ngõ vào bằng
ngõ ra

, trong khi ma trận điều biến ở đẳng thức (1.19) cho độ dịch chuyển pha

=

= − . Nếu 2 giải pháp được kết hợp, sẽ cho ra một

ngõ vào ngược pha với ngõ ra

ma trận điều biến có góc dịch chuyển pha ngõ vào điều khiển được:
[ ( )] =

Với

+

.[

( )] +

.[

( )]

=1

(1.20)

Bất chấp mọi giá trị của góc dịch pha tải, nếu

=

, góc dịch pha ngõ vào sẽ

là duy nhất. Những trường hợp khác, thơng qua cách chọn các thơng số

,

, góc

dịch chuyển pha ngõ vào có thể thay đổi dựa vào các kết hợp của 2 nhân tố sớm và trễ
pha của góc dịch pha tải.
Nếu

=
=

, các hàm điều biến có thể được viết ở dạng thu gọn:
=

(1 + 2

.

), với i ∈ { , , }, j ∈ { , , }

(1.21)

là giá trị biên độ của điện áp pha ngõ vào.
Thuật toán điều biến trong đẳng thức (1.21) phù hợp với thực thi trong thời gian
thực nhưng trong thực tế nó thường khơng được sử dụng bởi sự hạn chế về tỉ số truyền
dẫn 50%.

8