S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội Võ Quang Vinh
Nghiên cứu phơng pháp điều khiển tối u thời gian thực ứng dụng
trong hệ thống điều khiển tay máy song song

Chuyên ngành : Dụng cụ, thiết bị tự động và điều khiển từ xa
Mã số : 2-05-06

Luận án tiến sỹ kỹ thuật NGUYN TH NGOAN THI NGUYấN 2011 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG
DÙNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

Học viờn : Nguyễn Thị Ngoan
Ngƣời HD Khoa Học: TS Vừ Quang Vinh THÁI NGUYấN 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
***
Nguyễn Thị Ngoan Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trỡnh nghiờn cứu của riờng tụi. Cỏc số liệu, kết quả trong
luận văn là hoàn toàn trung thực theo tài liệu tham khảo và chƣa từng đƣợc ai công bố trong
bất kỳ công trỡnh nào khỏc.

Thỏi Nguyờn, ngày 10 thỏng 10 năm 2011
Tác giả luận văn Nguyễn Thị Ngoan
MỤC LỤC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
2
Trang
Lời cam đoan 1
Mục lục 2
Các chữ viết tắt 4
Danh mục các bảng 4
Danh mục các hình vẽ và đồ thị 5
Mở đầu 7
Chƣơng1: Tổng quan hệ thống truyền động ĐCĐBNCVC 10
1.1 Khái quát 10
1.2 Động học độngcơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 12
1.2.1 Phƣơng trình của ĐCĐBNCVC trong hệ toạ độ (a,b,c) 15
1.2.2 Phƣơng trình của ĐCĐBNCVC trong hệ toạđộ(d,q) 24
1.2.3 Phƣơng trình của ĐC trong hệ toạ độ từ thông stator (x,y) 26
1.3 Các sơ đồ điều khiển ĐCĐBNCVC 27
1.3.1 Vấn đề chung về điều khiển vectơ 27
1.3.2 Sơ đồ điều khiển vectơ dòng điện 29
1.4 Kết luận chƣơng 1 31
Chƣơng2: Điều khiển trực tiếp moment ĐCĐBNCVC 32
2.1 Điều khiển từ thông stator 33
2.2 Điều khiển moment 35
2.3 Lựa chọn vectơ điện áp 37

3.3 Kết luận chƣơng3 76
Tài liệu tham khảo 77
Phần phụ lục 80 CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DTC (Direct Torque Control): điều khiển trực tiếp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
4
ĐCĐB : động cơ đồng bộ.
NCVC: nam châm vĩnh cửu.
PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor): động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu.
MTPA(maximum torque-per-ampere): quy luật điều khiển tỷ lệ tối ƣu
moment/dòng điện.

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng
Ý nghĩa
Trang
2.1
Bảng lựa chọn vectơ điện áp điều khiển trễ mment 3 vị trí
44
1
Thông số ĐCĐBNCVC nghiên cứu
80
2

Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực tròn
13
1.3
Từ thông rotor và stator trong các hệ toạ độ
24
1.4
Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động ĐCĐBNCVC
28
2.1
Bộ biến tân
34
2.2
Vectơ điện áp tạo ra bởi biến tần
34
2.3
Sai lệch vectơ từ thông stator
35
2.4
Sự lựa chọn vectơ điện áp tuỳ thuộc theo vùng, với S=1
38
2.5
Thuận toán tính tích phân của Hu và Wu
39
2.6
Cấu trúc bộ ƣớc lƣợng
41
2.7
Hàm đầu ra của bộ hiệu chỉnh moment
42
2.8

62
3.4
Lƣu đồ thuật toán điều khiển moment hằng số và công suất
không đổi
63
3.5
Biến đổi PWM sử dụng cho từ thông tối ƣu.
64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
6
3.6
Giải pháp bộ biến đổi PWM với máy bù áp
65
3.7
Quỹ đạo dòng điện của phƣơng pháp vận hành từ thông tối ƣu
72
3.8
Quỹ đạo dòng điện của phƣơng pháp vận hành bằng bộ biến đổi
PWM với máy bù áp
73
3.9
Biểu diễn đặc tính moment, dòng điện hãm tốc của phƣơng pháp
vận hành từ thông tối ƣu
74
3.10
Biểu diễn đặc tính moment, dòng điện hãm tốc của phƣơng pháp
vận hành bằng bôh biến đổi PWM với máy bù áp
75


chƣơng trình số vào toàn bộ hệ thống.
Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu rất hợp với loại hình truyền động
này. Loại máy này dần dần đƣợc ứng dụng vào hệ thống tự động, đòi hỏi một sự
đồng bộ tuyệt đối, nhất là đối với ứng dụng trong máy công cụ, tàu điện hay là
trong các truyền động trực tiếp trong lĩnh vực tự động hoá. Trong các ứng dụng
nhƣ thế, một số động cơ đồng bộ có công suất vài kilo Watts đƣợc sử dụng rộng
rãi. Các động cơ quay theo tần số áp đặt, với phƣơng pháp này cho phép tránh
đƣợc các trục truyền dẫn cơ học với khớp răng. Một số lợi ích khác của động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng đƣợc quan tâm.
Đặc tính tƣơng quan giữa moment ngẫu lực – moment quán tính, tƣơng quan
công suất - trọng lƣợng, của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu tối ƣu so các
loại máy điện khác. Điều này không làm ảnh hƣởng đến hiệu quả của hệ thống
truyền động, có giá thành thấp, bảo quản dễ dàng vì không có bộ phận cổ góp
điện, sử dụng máy điện này thích hợp và thuận lợi ở môi trƣờng có chất ăn mòn
và bụi bẩn. Tuy nhiên loại máy này cũng có những bất tiện, nhất là tính chất
phức tạp của bộ điều khiển với bộ phận biến đổi đòi hỏi mạch điện tử khá phức
tạp, giá thành luôn ở mức cao, điều này sẽ dẫn đến giá thành của toàn bộ hệ
thống truyền động cao. Mặt khác sự tiến bộ kỹ thuật mới đây cho phép thực hiện
những bộ biến đổi càng ngày càng tinh vi và mạch điện ngày càng chắc chắn
hơn.
Điều khiển vectơ do Hass để nghị năm 1969, Blaschke năm 1972, Bose
năm 1986, cho phép điều khiển dòng điện xoay chiều cũng gần nhƣ điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
8
dòng liên tục. Yêu cầu chung của điều khiển là điều chỉnh moment và từ thông
của máy điện, do vậy động học của moment rất nhanh, từ đó phƣơng pháp này là
cơ sở để thực hiện các ứng dụng trong kỹ nghệ tay máy, ngƣời máy, các máy
công cụ, điều khiển tàu điện,… Tuy nhiên trong cấu trúc này đòi hỏi phải biết
chính xác, bộ cảm biến vị trí sẽ rất đắt tiền và làm giảm khả năng vận hành hệ thống.

là tham số duy nhất của động cơ cần đến trong điều
hiển trực tiếp moment.
Đóng góp có ý nghĩa của luận văn là đề xuất xây dựng quy luật điều khiển
tỷ lệ tối ƣu giữa moment/dòng điện (T/I), các kết quả mô phỏng đã chứng minh
một cách thuyết phục ý nghĩa thực tiến của đề tài. Điều khiển trực tiếp theo một
quy luật, đáp ứng moment nhanh hơn nhiều so với phƣơng pháp điều vectơ
(nhanh hơn từ 57 lần), giảm đƣợc tổn thất trong động cơ.
Các chƣơng nội dung chính nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống truyền động động cơ đồng bộ NCVC
Chƣơng 2: Điều khiển trực tiếp moment động cơ đồng bộ NCVC
Chƣơng 3: Điều khiển trực tiếp moment ĐCĐBNCVC tối ƣu dòng điện
Trong quá trình thực hiện luận văn, dƣới sự hƣớng dẫn Tiến sỹ Võ Quang
Vinh, tác giả đã nỗ lực thực hiện để hoàn thành các nội dung đề ra thuộc hƣớng
nghiên cứu. Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn các thầy trƣớc việc định
hƣớng rõ nét và góp nhiều ý kiến quí báu cho bản luận văn này.
Do hạn chế về thời gian cũng nhƣ về kiến thức của bản thân chắc chắn bản
luận văn này còn nhiều khiếm khuyết, tác giả sẽ rất hạnh nếu đƣợc tiếp nhận các
ý kiến phê phán các nội dung đề cập trong luận văn .
Chƣơng 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU (ĐCĐBNCVC)
1.1 Khái quát

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
10
Để biến đổi điện năng thành cơ năng thì động cơ điện đồng bộ là một trong
những thiết bị điện đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp .
Hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ ba pha ngày nay đƣợc sử
dụng rộng rãi với giải công suất từ vài trăm W đến hàng trăm MW. Nó chiếm vị
trí quan trọng trong các hệ truyền động tự động. Ở giải công suất lớn và cực lớn

- Mật độ từ thông khe hở không khí rất cao.
- Tỷ số “công suất/trọng lƣợng” cao (công suất lớn nhất có thể/ khối lƣợng
động cơ).
- Tỷ số “moment/quán tính” lớn (để đạt đƣợc gia tốc lớn).
- Moment đều (đập mạch moment nhỏ) ngày cả khi tốc độ rất thấp (để đạt
đƣợc độ chính xác cao về vị trí).
- Có thể điều khiển đƣợc moment mở máy
- Tốc độ vận hành cao.
- Có khả năng sinh moment lớn (thời gian tăng tốc, giảm tốc ngắn).
- Hiệu suất cao và hệ số cos cao.
- Cấu trúc vững chắc.
Có thể thoả mãn các yêu cầu này bằng sửng dụng điều khiển vector các máy điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Nguyên lý làm việc: ĐCĐBNCVC làm việc dựa trên sự tƣơng tác giữa từ
trƣờng quay của cuộn stator và từ trƣờng của nam châm vĩnh cửu đặt trên rotor
tạo nên. Khi số đôi cực của từ trƣờng stator và rotor nhƣ nhau, vận tốc quay của
các từ trƣờng bằng nhau (chế độ đồng bộ), thì xuất hiện lực kéo điện từ giữa các
cực từ của stator và rotor và hình thành moment điện từ. Động cơ khởi động
dƣới tác dụng của moment không đồng bộ hình thành do sự tƣơng tác giữa từ
trƣờng rotor và dòng điện trong dây quấn stator. Khi đạt tới vận tốc gần đồng bộ,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
12
nhờ tác dụng từ trƣờng quay stator và cực từ nam châm vĩnh cửu, rotor đƣợc kéo
vào đồng bộ.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, khởi động không đông bộ có nhiều
ƣu điểm hơn so với động cơ đồng bộ phản kháng và động cơ đồng bộ từ trễ. Chỉ
số năng lƣợng ( , cos) cao hơn, trọng lƣợng và kích thƣớc của máy bé hơn khi
có cùng công suất, khả năng quá tải và ổn định tần số quay lớn hơn.
1.2 Động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

u
sv
u
su
Cuộn dây
pha U
i
sv
i
su
i
sw
d

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
13

Hình 1.1 Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực lồi

sv
i
su
i
sw
d

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
14
dòng điện stator chỉ còn chứa dòng tạo moment quay i
sq
và không còn dòng kích
từ i
sd
nữa. ĐCĐB sử dụng cuộn kích từ biệt lập có cấu trúc cơ học hình 1.1 (còn
đƣợc gọi là ĐCĐB cực lồi), loại kích thích bởi nam châm vĩnh cửu hình 1.2 (còn
đƣợc gọi là ĐCĐB cực tròn hay ẩn).
Qua mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ta thấy: từ thông rotor
luôn phân cực, có hƣớng nhất quán và cố định. Tính định hƣớng nhất quán ấy chỉ
phụ thuộc vào cấu trúc cơ học của máy điện và làm đơn giản đi rất nhiều việc
xây dựng mô hình điều khiển điều chỉnh động cơ.
Nếu nhƣ ở ĐCKĐB ta phải tìm cách ƣớc lƣợng biên độ từ thông rotor thì ở
ĐCĐB biên độ đó đã đƣợc biết trƣớc.
Nếu nhƣ ở ĐCKĐB ta phải tìm cách tính góc pha của từ thông rotor để có
thể điều chỉnh điều khiển tựa theo nó, thì ở ĐCĐB góc pha ban đầu đã đƣợc biết
trƣớc và do đó có thể liên tục đƣợc theo dõi chính xác bằng máy đo tốc độ quay
rotor. Hình 1.1 và hình 1.2 cho phép áp dụng ngay một cách thuận lợi các
phƣơng pháp điều chỉnh trên toạ độ dq mà không cần quan tâm đến toạ độ 
nữa. Hệ thống kích thích bởi nam châm vĩnh cửu có thể đƣợc thay thể trong tính
toán bằng một hệ thống kích thích bởi cuộn kích và dòng kích tƣơng ứng nào đó,

as
s
as






U
U
U
(1.1)
Trong đó các từ thông
as

,
bs

,
cs

đƣợc xác định nhƣ sau:

as

= L
ASAS
i
as


cs

= L
CSAS
i
as
+ L
CSBS
i
bs
+ L
CSCS
i
cs
+ 
csm

Viết dƣới dạng ma trận nhƣ sau:

dt
ir
abcs
abcs
d
s


abcs
U
































0 0
0 0
0 0
(1.3)
Các dây quấn stator lệch nhau góc 120
0
và từ thông
asm

,
bsm

,
csm

đƣợc
tạo ra do nam châm vĩnh cửu có dạng hàm tuần hoàn của độ dời góc rotor 
r,
giả

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
16
sử theo luật hình sin, biên độ từ thông
m

đƣợc tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu,
ta có:




: độ dời góc rotor

m

: biên độ từ thông tạo ra bởi NCVC
Phƣơng trình từ thông:
 
rr
r
m
cs
bs
i
ii



sin
m
m
m
as

3
1
cos2L- L
2
1

3











3
2
sin cos2L- L
2
1
3
2
cos2L- L
3
1
cos2L- L
2
1

m
m
mm


























r
rr
cs
bs
cs
































abcs
= L
s
i
abcs
+ 
m
=

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
17


















































































1
3
2
r
2cos
m
3
1
r
2cos
m
2
1
3
1
r
2cos
m
2
1
3
1
r
2cos
m
2
1
r
cos
m

L
L
-
m
L
L
m
L
L
m
L
L
ls
L
(1.6)

Ma trận điện cảm stator L
s
nhƣ sau:











































2
1
3
1
r
2cos
m
2
1
r
2cos
m
2
1
3
2
r
2cos
m
3
1
r
2cos
m
2
1
3
1
r
2cos

L
m
L
L
ls
L
m
L
L
-
m
L
L
m
L
L
m
L
L
ls
L
(1.7)
Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu rotor hình tròn vậy đƣờng
sức từ theo các trục d, q giống nhau, ta có: R
mq
= R
md

Vì vậy:

































m
m
mm
L
_
ls
L
L
_
L
_
L
_
L
_
ls
L
L
_
L
_
L
_
L
_
ls
L
L
s
(1.8)
























3
2
sin
2
1
2
1

_
Lii
ii
L
_
Li
ii
L
_
L
LL
LL
L
__
__
_
(1.9)
hoặc là:

abcs
= L
s
i
abcs
+ 
m
=






2
1
-

2
1
-
2
1
-

2
1
-
2
1
-

2
1
-
m
mm
m
m
































sin
cs
i
bs
i
as
i
(1.10) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
19
Từ đó ta có phƣơng trình cân bằng điện áp dƣới dạng vectơ nhƣ sau:

U
abcs
= r
s
i
abcs
+ dt 
abcs
/dt
U
abcs
= r
s
i
abcs
+ L
















3
2
rr
3
2
rr
rr
m
cos
cos
cos
dt
m
d
(1.12)

Trong đó: L
ss
= L
ls
+ L
m

























3
1
2
m
2
ss
2
mss
2
mss
2
mss
2
m
2
ss
2
m
2
ss
2
mss
2
mss
2
m
2
ss
ss
3

2LL4L
LL
LL
L
mm
mm
mm
mmPhƣơng trình động học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu:

(1.11)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
20
(1.14)
0

0 0 3
4
1
2
4

3
1


























































































































mm
cs
i
bs
i
as
i
s
r
s
r
s
r
2
m
L
_
2
ss
4L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L

L
ss
2L
2
m
L
L
ss
2L
2
m
L
2
ss
4L
LL
ss
L
3
ss
L
2
m
L
_
2
ss
4L
2
m

2
L
ss
2L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
L
ss
2L
2
m
L
2
ss
4L
LL
ss
L
3
ss
L
2

_
2
ss
4L
2
m
L
_
2
L
ss
2L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
L
ss
2L
2
m
L
2
ss






























































































)
m
mm
)
m
m
ss
mm
mm
m
ss
m
mmm
m
ss
m
m
ss
mm
mm
m
ss
m
mmm
m
ss
cos
r
cos
r

L2L
L
(2L
m
2
m
LL
L2L
L
m
2
m
LL
L2L
L
m
2
m
LL
L2L
L
m
2
m
LL
L2L
L
(2L
m
cs

L2L
L
s
r
2
m
LL
L2L
L
(2L
s
r
2
m
LL
L2L
L
s
r
2
m
LL
L2L
L
s
r
2
m
LL
L2L

_
_
__
_
__
_
__
_
__
_
_
__
_
_
__
_
__
_
__
_
__
_
_
__
_
__
_
__
_
__

ss
2
ssss
2
ssss
2
ss
ss
2
ssss
2
ssss
2
ss