Lời mở đầu
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và khoa học kỹ thuật đã
góp phần không nhỏ vào công nghiệp hóa hiện đại hóa và đã đi sâu vào tất cả các
lĩnh vực của đời sồng và xã hội, ở những đâu cần đòi hỏi tự động hóa, giảm thiểu
sự có mặt không cần thiết của con người cũng như những nơi con người không thể
có mặt ở đó thường xuyên để điều khiển do môi trường, do những hoàn cảnh không
có lợi tác động hay cúng chính do thời gian, sức khỏe không cho phép.
Một trong những khía cạnh của trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống đặt
ra là cần điều khiển tự động vị trí của xe là một yêu rất quan trọng, nó không những
giảm sự có mặt không cần thiết của con người mà còn khắc phục nhừng ngoại cảnh
tác động nên vị trí của xe khi không có mặt của người điều khiển.
Với yêu cầu đặt ra là xây dựng bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ dị bộ
xoay chiều ba pha là một trong những bộ phần quan trọng nhất của toàn hệ thống.
Đây cũng chính là nhiệm vụ của của em trong lần nhận đồ án lần này.
Vì trình độ và thời gian có hạn, chắc chắn đề tài còn nhiều thiếu sót. Rất mong
sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
Nhân đây em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Điện Tự Động
Công Nghiệp, đặc biệt là thầy TRẦN TIẾN LƯƠNG đã giúp em hoàn thành đề tài
này đúng thời gian quy định.
1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CƠ – XE
1.1. Giới thiệu về hệ truyền động điện.
Hệ điện cơ là các hệ thống dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng và khống
chế tự động cơ năng đó. Phần cơ bản của hệ điện cơ là hệ thống điều chỉnh tự động
truyền động điện.
Mục tiêu cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền đông điện là phải đảm bảo giá
trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc động của các đại
lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh.
Một hệ điều chỉnh tự động truyền động điện gồm có những thành phần chính là:
bộ điều khiển, bộ biến đổi, các thiết bị đo lường, cơ cấu chấp hành, đối tượng cần
điều khiển.

1.2.4. Thiết bị đo lường.
3
Các khâu đo lường ĐL có nhiệm vụ biến đỏi dạng tín hiệu đầu ra về dạng tín
hiệu điện áp hoặc dòng điện phù hợp với tín hiệu đặt và có giá trị tỷ lệ với đại
lượng điều chỉnh đầu ra.
1.2.5. Đối tượng cần điều khiển.
Đối tượng cần điều khiển có thể là máy sản xuất, tải thế năng, xe điện,…Ở đồ
án này là xe điện tải trọng. Như hình vẽ:
1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha.
Động cơ điện không đồng bộ hiện nay được sử dụng rất phổ biến, nhưng với các
hệ truyền động điều khiển tốc độ thì ít được sử dụng so với các hệ trền động một
chiều vì có nhược điểm là điều chỉnh tốc độ khó khăn hơn. Tuy nhiên, với sự phát
triển cua công nghệ bán dẫn và điện tử tin học thì việc điều khiển tốc độ của độg cơ
không đồng bộ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều và đồng thời hệ truyền động điều
khiển tốc độ động cơ không đồng bộ trở thành hệ truyền động cạnh tranh hiệu quả
với hệ truyền động động cơ một chiều. Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
4
bộ, ta có thể tác động vào mạch roto hoặc mạch stator của động cơ. Trong thực tế,
với các hệ truyền động người ta hay dùng các phương pháp điều khiển tốc độ động
cơ không đồng bộ như sau:
- Điều khiển bằng phương pháp thay đổi điện áp sơ cấp vào stator của động cơ.
- Điều khiển bằng phương pháp thay đổi điện trở mạch rotor.
- Điều khiển bằng phương pháp điều chỉnh công suất trượt.
- Điều khiển bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp vào stator động cơ.
Tùy vào từng trường hợp cụ thể mà người ta có thể sử dụng từng phương pháp
cho thích hợp. Sau đây là phần trình bày cơ bản của các phương pháp đã nêu.
1.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển điện áp stator.
Do mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stator, do đó
có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều
chỉnh điện áp stator trng khi giữ nguyên tần số. đây là phương pháp đơn giản nhất,

U
*0*2
2^1*3
= var
5
Để thay đổi điện áp cấp vào stator của động cơ, ta có thể sử dụng máy biến áp
hoặc cuộn kháng đặt vào stator hoặc đổi nối Y -
∆
hoặc dùng các bộ điều áp bằng
Tiristor. Đối với các hệ truyền động động cơ rotor lồng sóc, người ta thường sử
dụng các bộ điều áp để thay đổi cả dòng điện và điện áp mà không làm thay đổi tần
số để điều chỉnh tốc độ và hạn chế dòng mở máy bằng phương pháp giảm điện áp
khi khởi động.
Ta có sơ đồ đơn giản của phương pháp:
Hình 1.1: Sơ đồ đơn giản của phương pháp thay đổi điện áp stator
Khi giảm điện áp vào stator của động cơ, ta được các đặc tính như sau:
6
Hình 1.2: Đặc tính cơ khi thay đổi điện áp vào stator
Dựa vào đặc tính cơ ta có thể nhận thấy khi giảm điện áp thì mômen giảm rất
nhiều. Do đó, phương pháp này chỉ thích hợp với tải có momen tỷ lệ với tốc độ,
không thích hợp với tải có momen không đổi.
1.3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển điện trở rotor.
Để điều chỉnh tốc độ, ngoài việc tác động vào stator, người ta còn có thể tác
động vào mạch rotor để thay đổi dòng điện rotor dẫn đến làm thay đổi momen của
động cơ. Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rotor là phương pháp chỉ áp dụng
cho động cơ không đồng bộ rotor dây quấn nhờ nối tiếp cuộn dây rotor với bộ biến
đổi điện trở mạch ngoài. Do độ trượt tới hạn tỷ lệ với giá trị điện trở rotor nên khi
điện trở rotor thay đôi thì độ trượt tới hạn sẽ thay đổi theo trong khi momen tới hạn
không thay đổi do tần số, điện áp giữ nguyên.
Ta có sơ đồ đơn giản của phương pháp này:

Hình 1.4: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở rotor.
Khi thay đổi giá trị điện trở rotor nhưng momen tơi hạn không thay đổi nên có
thể thay đổi tốc độ của động cơ cho tải là không đổi. Phương pháp này chỉ cho
phép thay đổi tốc độ về phía giảm tốc độ và sự ổn định về tốc độ cũng kém hơn do
đặc tính dốc hơn. Tuy nhiên, phương pháp này có ưu điểm lớn là có thể điều chỉnh
điện trở phụ sao cho M
nm
bằng M
th
để mở máy động cơ với momen lớn nhất cũng
như là dùng điện trở phụ để hạn chế dòng điện mở máy.
1.3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển công suất trượt.
Đối với động cơ không đồng bộ, công suất trượt
∆
P
s
= s*P
đt
của tần số f
2
= s*f
1
sẽ bị tiêu tán trên điện trở của rotor. Với các máy có công suất lớn thì tổn hao công
suất này là đáng kể đặc biệt là khi điều chỉnh ở tốc độ thấp (s lớn). Do đó, từ việc
tiết kiệm điện năng mới nảy sinh yêu cầu tận dụng công suất này. Để tận dụng công
suất tổn hao này, người ta dùng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, năng lượng
tiêu hao trên điện trở phụ được chỉnh lưu thành năng lượng điện một chiều sau đó
qua bộ nghịch lưu được biến thành năng luwjng điện xoay chiều để đưa trả ngược
9
về lưới. Trong điều kiện nguồn cấp không đổi P

kdqw
kdqw
là tỷ lệ số vòng dây có kể đến hệ số quấn dây của rotor và
stator thì điện áp ở rotor động cơ là s*k
Đ
*U và điện áp ở đầu ra của bộ chỉnh lưu
cầu 3 pha là: U
CL
= 1,35*s*k
Đ
*U
Gọi k
B
là tỷ số biến áp của máy biến áp thì điện áp trung bình ở bộ nghịch lưu
cầu có biểu thức: U
NL
= 1,35*k
B
*U*cos
α
U
CL
và U
NL
phải bằng nhau và ngược dấu suy ra:
10
1,35*s*k
Đ
*U = - 1,35*k
B

năng lượng
∆
P
s
ra phát lên lưới, chế độ nghịch lưu, 90˚<
α
<180˚, s > 0).
- Khi điều chỉnh với w > w
1
: được gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ (s < 0),
ngược với điều trên.
- Nếu tái sử dụng năng lượng
∆
P
s
để tạo P
cơ
: được gọi là truyền động nối cấp cơ.
Phương pháp này không có ý nghĩa nhiều vì khi w giảm còn (1/3)*w
1
thì
s=(2/3)*w
1
hay
∆
P
s
= (2/3)P
đt
tức là công suất cơ một chiều dùng để tận dụng phải

= 4,44*f
1
*K
TP1
*W
1
*
φ
*10
-8
= K*
φ
*f
1

Vì U
1
là điện áp nạp từ lưới nên U
1
= const vậy thì khi:
- khi f
1
giảm làm cho từ thông
φ
tăng. Động cơ làm việc ở chế độ bão hòa từ mà
φ
tăng tức I
µ
tăng sinh ra tổn hao lớn.
- Khi f

hay
Mdm
dmM '
=
M
M '
=
2)^1'(*2)^1(
2)^1(*2)^1'(
fU
fU

=>
1
1'
U
U
=
1
1'
f
f
*
M
M '
(1)
Trong đó: f
1
’ là tần số lưới đã thay đổi ứng với f
1

nghịch với ần số.
Từ công thức M =
1w
Pdt

≈

1w
Pc
. Nếu bỏ qua tổn hao thì P = C*M*f
1
= Const.
Hay M*f
1
= M’*f
1
’ =>
M
M '
=
1'
1
f
f
(2)
Thay (2) vào (1) ta được:
1
1'
U
U

2.1. Đề xuất cấu trúc điều khiển.
Trong đó:
φ : Là vị trí đặt mong muốn.
Rφ: Là bộ điều khiển vị trí.
Rω: Là bộ điều khiển tốc độ.
RI : Là bộ điều khiển dòng điện.
BBD : Là bộ biến đổi công suất.
M : Là động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha.
Đo : Là thiết bị đo các đại lượng cần phản hồi.
2.2. Giới thiệu các thành phần.
2.2.1. Mô tả toán học động cơ không đồng bộ 3 pha.
Đối với các hệ truyền động điện đã được số hóa hoàn toàn, để điều khiển biến
tần người ta sử dụng phương pháp điều chế vecto không gian. Khâu điều khiển biến
15
tần là khâu ghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển và điều chỉnh bằng số với
khâu chấp hành. Như vậy cần mô tả động cơ thành các phương trình toàn học.
Quy ước: A, B, C chỉ thứ tự pha các cuộn dây roto và a, b, c chỉ thứ tự pha các
cuộn dây stator.
Giả thiết:
- Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, roto vượt góc θ.
- Tham số được coi là không đổi (các giá trị điện trở, điện cảm).
- Mạch từ chưa bão hòa hay các tổn hao sắt từ và sự bão hào từ ó thể bỏ qua.
- Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe khí.
- Khe hở không khí δ đồng đều.
- Nguồn 3 pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2π/3).
Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k như sau:
U
k
= I
k

a c
*i
c
+ L
a A
*i
A
+ L
a B
*i
B
+ L
a C
*i
C
Vì

3 pha đối xứng nên:
R
a
= R
b
= R
c
= R
s
, R
A
= R
B

AC
= L
BC
= L
AB
= … = -M
r
L
aA
= L
bB
= L
cC
= L
Aa
= L
Bb
= L
Cc
= M*cosθ
L
aB
= L
bC
= L
cA
= L
Ba
= L
Cb

ψ
(2.1)
u
sw
(t) = R
s
*i
sw
+
dt
tswd )(
ψ
18
Trong đó:
R
s
: Điện trở cuộn dây stator.
ψ
su
,

ψ
sv
, ψ
sw
: Từ thông cuộn dây pha u, v, w.
Khi đó điện áp stator được biểu diễn dưới dạng sau:
u
s
= R

r
*L
m
ψ
r
= i
r
*L
r
+ i
s
*L
m
(2.4)
Do các cuộn dây rotor và stator có cấu tạo đối xứng nên tất cả các giá trị điện cảm
là như nhau trên mọi hệ tọa độ quan sát. Để hoàn thiện hệ thống phương trình mô tả
động cơ xoay chiều 3 pha ta bổ xung thêm 2 phương trình sau:
Phương trình momen:
M
e
=
2
3
*P
c
*(ψ
s
*i
s
) = -

L
σr
: Điện cảm tiêu tán trên cuộn dây rotor.
L
s
= L
m
+ L
σs
: Điện cảm stator.
L
r
= L
m
+ L
σr
: Điện cảm rotor.
T
s
= L
s
/R
s
: Hằng số thời gian stator.
T
r
= L
r
/R
r

Ts*
1
σ
+
Tr*
1
σ
σ
−
)*i
sα
+
Tr*
1
σ
σ
−
*ψ
’
rα
+
σ
σ
−1
*w*ψ
’
rβ
+
Ls*
1

−
*ψ
’
rβ
+
Ls*
1
σ
*u
sβ
d(ψ
’
rα
)/dt =
Tr
1
*i
sα
-
Tr
1
* ψ
’
rα
– w* ψ
’
rβ
(2.7)
d(ψ
’

m
(2.8)
Ngoài hệ phương trình (2.7) đã mô tả phần hệ thống điện của động cơ xoay chiều.
Ta có phương trình momen sau khi biến đổi lại:
M
e
=
2
3
*
Lr
Lm 2)^(
*p
c
*( ψ
’
rα
*i
sβ
- ψ
’
rβ
*i
sα
) (2.9)
Mô hình toán động cơ xoay chiều 3 pha trên hệ dq.
Trên hình (2.1) biểu diễn một hệ trực tọa độ có trục thực trùng với trục của từ
thông rotor ψ
r
. Ta gọi hệ tọa độ này là hệ tọa độ từ thông rotor (hệ dq), hệ tọa độ

*ψ
’
rd
+
σ
σ
−1
*w*ψ
’
rq
+
Ls*
1
σ
*u
sd
dt
isqd )(
= - w
s
* i
sd
- (
Ts*
1
σ
+
Tr*
1
σ

Tr
1
*i
sd
-
Tr
1
* ψ
’
rd
+ (w
s
– w)* ψ
’
rq
(2.10)
d(ψ
’
rq
)/dt =
Tr
1
*i
sq
– (w
s
– w)* ψ
’
rd
-

Lm 2)^(
*p
c
* ψ
’
rd
* i
sq
(2.12)
Từ đây ta dễ dàng xây dựng được cấu trúc mô hình động cơ dị bộ xoay chiều 3
pha trên hệ tọa độ dq.
2.2.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển vecto động cơ không đồng bộ.
Hệ truyền động sử dụng động cơ lồng sóc đạng ngày càng chiếm ưu thế trên thị
trường vì lý do chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ. Mặt khác do sự phát
triển mạnh mẽ của vi xử lý và các van công suất đã cho phép điều khiển cả tốc độ
và momen của động cơ lồng sóc nên việc ứng dụng nó ngày càng được đa dạng
trong các hệ truyền động.
Sau khi đã xây dựng vecto không gian và quan sát trên tọa độ từ thông rotor (hệ
dq) ta thu được hê đơn giản sau đây giữa momen quay, từ thông và các thành phần
của vecto dòng stator.
ψ
rd
=
sTr
Lm
*1+
*i
sd
M
e

sd
như
hình sau:
Hình 2.3: Tư tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ.
Nhưng trong hệ thống thực, nguồn cấp cho động cơ là 3 pha abc (hay là uvw),
và các đại lượng dòng phản hồi đo về được cũng trên tọa uvw, vậy giữa hai hệ tọa
độ đó phải có các hệ chuyển đổi tọa độ, cụ thể là từ bộ điều chỉnh lượng đặt để
thành tín hiệu đưa vào biến tần nuôi động cơ phải có một bộ chuyển đổi dq/uvw từ
các đại lượng dòng đo được đem phản hồi có một bộ chuyển đổi ngược từ uvw/dq.
24
Vấn đề nảy sinh là khi chuyển đổi giữa hai tọa độ cần phải có góc lệch giữa
chúng (θ
s
). Từ đây có hai giải pháp:
- Lấy θ
s
bằng cách tích phân tốc độ quay ω
s
của dòng, áp stator hoặc từ thông rotor.
- Vì hệ tọa độ dq có trục thực gắn với ψ
r
nên góc θ
s
có thể xác định bằng cách tính
góc của ψ
r
trên hệ tọa độ αβ.
Từ phân tích trên ta có hệ thống như hình vẽ:
Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống điều chỉnh dòng điện và tốc độ
của động cơ trên dq.