LỜI NÓI ĐẦU
Trước đây, trong các hệ truyền động chất lượng cao thì động cơ một chiều
chiếm ưu thế tuyệt đối so với động cơ xoay chiều ba pha do khả năng điều
khiển dễ dàng và đạt độ chính xác cao. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh
mẽ của kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật chế tạo van bán dẫn và sự hoàn thiện của các
thuật toán điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, ưu thế đó của động cơ một
chiều không còn nữa. Động cơ xoay chiều ba pha mà cụ thể là động cơ không
đồng bộ và động cơ đồng bộ cũng có thể được điều khiển một cách dễ dàng và
chính xác gần như động cơ một chiều, do đú chúng đang được sử dụng rất rộng
rãi trong công nghiệp và đang dần thay thế triệt để động cơ một chiều [TL - 4].
Những năm gần đây, động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu đã được quan tâm
nghiên cứu cả về phương diện thiết kế chế tạo lẫn thuật toán điều khiển. Động
cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cả ưu thế của động cơ không đồng bộ và
động cơ một chiều. So với động cơ không đồng bộ thì động cơ đồng bộ kích
thích vĩnh cửu có hiệu suất cao hơn do không có tổn hao đồng ở Rotor, đặc tính
điều khiển ít nhạy với các tham số của động cơ. Hơn nữa, do từ thông Rotor là
không đổi nên việc điều chỉnh tốc độ của động cơ dễ dàng và thuận lợi hơn. So
với động cơ một chiều thì động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu làm việc tin cậy
hơn, ít phải bảo dưỡng hơn do không có hệ thống vành trượt – chổi than. Động
cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có thể làm việc trực tiếp với điện áp của lưới
điện mà không cần các bộ biến đổi để cấp nguồn một chiều.
Sự phát triển của công nghệ vật liệu mới đã tạo ra các nam châm vĩnh cửu có
mật độ năng lượng cao. Điều đó đồng nghĩa với việc động cơ đồng bộ kích
thích vĩnh cửu ngày càng có kết cấu nhỏ gọn, làm việc chắc chắn, độ tin cậy
cao, giá thành sản xuất ngày càng thấp. Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
thường được ứng dụng cho các hệ truyền động chất lượng cao ở dải công suất
nhỏ như trong các máy công cụ, trong chế tạo Robot…
Kỹ thuật điều khiển động cơ xoay chiều ba pha rất phong phú và đa dạng.
Trong thực tế, với hệ truyền động điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh tần số
1
nguồn cung cấp có hai phương pháp đạt được chất lượng điều khiển khá cao là

2
Do thời gian và trình độ có hạn nên trong đồ án, em chỉ tập trung vào các nội
dung sau:
1. Tỡm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ kích
thích vĩnh cửu.
2. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen đối với hệ truyền động biến
tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu.
3. Giải pháp làm giảm độ đập mạch của momen.
Trên cơ sở đó đồ án của em có cấu trúc chương mục với nội dung chủ yếu như
sau:
Chương 1: Trình bày về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng của
động cơ đồng bộ, động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu. Thành lập mô hình
toán học của động cơ.
Chương 2: Trình bày về nguyên lý điều chỉnh tốc độ ĐCĐB – KTVC, về cấu
trúc bộ biến tần bán dẫn, phương pháp điều khiển vector đối với bộ biến tần.
Các phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, bao gồm:
phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor và phương pháp điều khiển
trực tiếp momen.
Chương 3: Trình bày về phương pháp điều khiển trực tiếp momen, tổng hợp và
mô phỏng hệ thống.
Chương 4: Trình bày về giải pháp nhằm giảm độ đập mạch momen đối với hệ
truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu điều khiển trực tiếp
momen. Dựa vào kết quả mô phỏng đưa ra các kết luận, đánh giá về giải pháp.
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
Động cơ vừa là khâu chấp hành vừa là đối tượng điều khiển của các hệ truyền
động. Nhằm phục vụ cho việc thiết kế luật điều khiển, dưới đây ta sẽ đề cập
đến cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Động cơ đồng bộ (ĐCĐB), Động cơ
đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCĐB - KTVC), và mô tả ĐCĐB - KTVC dưới

rãnh của Rotor hình thành mặt cực từ. Do dây quấn kích từ quấn rải nên lực ly
tâm bé, ĐCĐB Rotor cực ẩn có tốc độ quay lớn: n > 500 vũng/phỳt.
Ngoài dây quấn kích từ, trên Rotor của ĐCĐB còn có dây quấn mở máy kiểu
lồng sóc. Quá trình mở máy của ĐCĐB sẽ diễn ra theo hai giai đoạn. Giai đoạn
5
Lõi thép Rotor
Cực từ
Dây quấn kích từ
S
N
N
S
Lõi thép Rotor
Dây quấn kích từ
N
S
thứ nhất quá trình mở máy của ĐCĐB diễn ra như quá trình mở máy của động
cơ không đồng bộ (ĐCKĐB), giai đoạn thứ hai là khi tốc độ của động cơ đạt
đến gần tốc độ đồng bộ thỡ đúng nguồn kích từ vào để đưa tốc độ của động cơ
lên tốc độ đồng bộ.
Nguyên lý hoạt động của Động cơ đồng bộ:
Đặt điện áp xoay chiều ba pha vào dây quấn Stator. Trong dây quấn Stator sẽ
cú cỏc dòng điện xoay chiều lệch nhau 120
0
về thời gian. Dòng điện này sẽ tạo
nên từ trường quay với tốc độ n
1
= 60f/p.
Dây quấn kích từ được nối với nguồn một chiều nên dòng điện trong dây quấn
kích từ sẽ sinh ra từ trường cực từ.

θθ
ω
dqd
XX
U
X
EU
M
−+=
(1.1)
Trong đó:
U
1
là điện áp pha lưới điện,
E là sức điện động pha Stator,
θ là góc lệc pha giữa U
1
và E,
X
d
, X
q
là điện kháng dọc trục và ngang trục.
Đường cong biểu diễn M là tổng của 2 thành phần:
θ
ω
sin
3
1
1

1
. Thực tế thường M
2
rất nhỏ nên có thể bỏ qua, khi đó đặc tính góc
của ĐCĐB cực ẩn và ĐCĐB cực lồi là như nhau: M = M
m
sin θ với
s
m
X
EU
M
1
1
3
ω
=
.
7
M
1
π
2
0
2
π
M
2
M
θ

Dòng điện xoay chiều ba pha có thể lấy trực tiếp từ lưới điện nhưng để có dòng
điện một chiều cung cấp cho dây quấn kích từ thì phải có nguồn điện một chiều
riêng và hệ thống vành trượt - chổi than. Điều này khá là bất tiện vì đi kèm với
động cơ lại phải có hệ thống tạo nguồn điện một chiều, hơn nữa chỗ tiếp xúc
giữa vành trượt - chổi than thường phát sinh ra tia lửa điện và chổi than sẽ bị
mòn theo thời gian.
Để khắc phục nhược điểm này thì hệ thống nguồn điện một chiều, vành trượt -
chổi than và dây quấn kích từ được thay thế bằng các nam châm vĩnh cửu.
Nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các loại vật liệu như Ferrit, AlNiCo,
SmCo
5
, NdFeB… và có thể được bố trí đều đặn trên bề mặt Rotor hay bố trí
chìm bên trong Rotor.
Với những cách bố trí khác nhau ta có thể có được động cơ với những đặc tính
khác nhau. Nếu các phiến nam châm được bố trí trên bề mặt thì có thể coi khe
hở không khí là đều và động cơ sẽ mang tính chất của ĐCĐB cực ẩn. Nếu các
phiến nam châm được bố trí chìm bên trong Rotor thì khe hở không khí không
thể coi là đều được, động cơ sẽ mang tính chất của ĐCĐB cực lồi.
8
Dây quấn Stator
Nam châm vĩnh cửu
Rotor
Stator
Hình 1.6 ĐCĐB - KTVC với các nam châm được bố trí trên bề mặt Rotor
Để tăng độ bền cho Rotor thì khoảng giữa các thanh nam châm được lấp đầy
bằng vật liệu không dẫn từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao, cũng có thể
bắt vít lờn cỏc thanh nam châm để cố định chỳng trờn lừi thộp Rotor.
Ngày nay hầu hết các ứng dụng đều sử dụng ĐCĐB - KTVC với các nam châm
vĩnh cửu được gắn trên bề mặt Rotor. Các nam châm bề mặt thường được từ
hoá hướng kính nhằm sinh ra từ thông khe hở đều hơn, qua đó giảm độ đập

10







+=
+=
=
=++
)240cos(
)120cos(
)cos(
0
0
0
tii
tii
tii
iii
sssc
sssb
sssa
scsbsa
ω
ω
ω
(1.3)

i
là một vector có module không đổi quay trên mặt phẳng phức với
tốc độ góc
ss
f
πω
2
=
và tạo với trục thực một góc
t
s
ωγ
=
, trong đó f
s
là tần số
mạch Stator.
Hình 1.9 Xây dựng vector không gian từ các đại lượng xoay chiều ba pha
Dễ dàng thấy rằng dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector mới
thu được lên trục của các cuộn dây pha tương ứng.
Chiếu
s
i
lên 2 trục
α
và
β
được 2 thành phần dòng điện
α
s

svsus
sus
iii
ii
β
α
(1.5)
Hình 1.10 Quan hệ giữa các thành phần dòng điện i
sα
, i
sβ
với các dòng điện của
từng pha
Bằng cách tương tự ta cũng xây dựng được các vector không gian: điện áp
Stator
s
u
; dòng điện Rotor
r
i
; từ thông Stator
s
ψ
; từ thông Rotor
r
ψ
.




s
.
Xét một vector
v
bất kỳ nằm trong hệ trục toạ độ cố định (α, β, 0). Khi vector
này được quan sát trong hệ trục toạ độ quay (d, q, 0) thì ta có công thức chuyển
trục toạ độ :
s
j
qd
evv
ϑ
βα
−
=
.
)0,,()0,,(
với
s
ϑ
là góc lệch giữa 2 hệ trục toạ độ.
Khi xây dựng mô hình của ĐCĐB - KTVC ta giả thiết rằng máy điện có kết
cấu tròn đều đối xứng, các đại lượng xoay chiều ba pha đã được chuyển thành
các đại lượng vector và được chuyển sang hệ toạ độ dq.
Hình 1.11 Vector không gian trong hệ toạ độ từ thông Rotor
Phương trình điện áp Stator:
ss
s
s
s

=+=
(1.9)
Do hạn chế của công nghệ chế tạo, giữa hai nam châm trên bề mặt Rotor luôn
tồn tại khe hở nên giá trị điện cảm dọc trục L
sd
và điện cảm ngang trục L
sq
là
khác nhau. Phương trình các thành phần từ thông:





=
+=
sqsqsq
psdsdsd
iL
iL
ψ
ψψ
(1.10)
Thay hai phương trình (1.8) và (1.10) vào phương trình (1.7) ta được:







sq
p
ssq
sq
sq
sq
sd
sq
sd
s
sq
sd
sd
sq
sd
sq
ssd
sd
sd
L
u
L
i
T
i
L
L
dt
di
u

14
)(
2
3
s
scM
ipm
×=
ψ

)(
2
3
sdsqsqsdc
iip
ψψ
−=

)]([
2
3
sqsdsqsdsqpc
LLiiip
−+=
ψ
(1.13)
Theo (1.7), momen quay của ĐCĐB - KTVC bao gồm hai thành phần: thành
phần chính ψ
p
i

ϑ
s
rất dễ dàng bằng các Resolver hay máy phát xung có chỉnh điểm không.
Phương trình (1.12) được viết lại dưới dạng phương trình trạng thái:
15
spssss
s
SNiBuAi
dt
di
ωψω
+++=
(1.15)
Trong đó:












−
−
=
sq

1
;












−
=
0
0
sq
sd
sd
sq
L
L
L
L
N
;



chỉ chứa hai thành phần
dòng Stator. Nghĩa là mô hình trạng thái cũng đồng thời là mô hình đối tượng
dòng Stator.
Đặc điểm phi tuyến yếu (thành phần phi tuyến chỉ liên quan giữa đại lượng
trạng thái và đại lượng đầu vào) của mô hình thể hiện ở tích của vector trạng
thái i
s
với biến đầu vào 
s
.
Thành phần nhiễu do từ thông cực 
p
tác động qua S vào hệ thống là nhiễu có
module hằng.
Các mô hình liên tục không thích hợp cho việc thiết kế khâu điều chỉnh vì các
thiết bị điều chỉnh (sử dụng àP, àC, DSP) làm việc gián đoạn và cũng chỉ thu
thập, xử lý giá trị thực của động cơ ở các thời điểm gián đoạn cách đều. Do đó
cần phải xây dựng được mô hình gián đoạn của động cơ.
Phương trình (1.15) được viết lại dưới dạng:
sss
s
NivBAi
dt
di
ω
++=
*
(1.17)
Với: v
T

s
TkNA
s
∑
∞
=
+
+==Φ
ω
ω
*
)1(
)]([
*
BdeH
Tk
kT
kNA
s
τ
τω
∫
+
+
=
(1.20)

*
1
1





−−
−
=Φ
sqsq
sd
s
sd
sq
s
sd
T
T
L
L
T
L
L
T
T
T
1
1
ω
ω
;


(1.21)
Tách ma trận đầu vào H
*
thành hai ma trận:
[ ]
hHH ,
*
=
với












=
sq
sd
L
T
L
T
H
0

18
Kết luận:
Qua việc nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thành lập mô hình toán
học của ĐCĐB - KTVC ta thấy rằng ĐCĐB - KTVC đã bộc lộ nhiều ưu điểm
so với các loại động cơ khác. ĐCĐB - KTVC có cấu tạo, nguyên lý hoạt động
đơn giản, hơn nữa từ thông Rotor luôn cố định nên rất thuận lợi khi điều khiển.
Hiện nay ĐCĐB - KTVC được sử dụng rất rộng rãi nhất là trong các hệ truyền
động công suất nhỏ (vài W đến vài KW).
19
CHƯƠNG 2
ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
KÍCH THÍCH VĨNH CỬU
Nội dung của chương này sẽ đề cập đến nguyên lý điều chỉnh tốc độ ĐCĐB -
KTVC qua đó khẳng định: với một động cơ nhất định chỉ có thể điều chỉnh
được tốc độ của động cơ bằng điều chỉnh tần số nguồn cung cấp. Trên cơ sở đó
đề cập đến cấu trúc, phương pháp điều khiển biến tần, đưa ra các phương pháp
điều chỉnh tốc độ ĐCĐB - KTVC sử dụng bộ biến tần bán dẫn.
1. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Tốc độ quay của ĐCĐB được tính theo biểu thức:
c
s
s
p
f
π
ω
2
=
Trong đó: f
s

rãi và được chuẩn hoá trong các bộ biến tần công nghiệp [TL - 3].
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của mạch nghịch lưu điện áp
21
Nghịch lưu trong sơ đồ biến tần nguồn áp là nghịch lưu điện áp 3 pha, trong đó
các van bán dẫn được sử dụng là các loại transistor (MOSFET, IGBT…). Ngày
nay IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) được sử dụng gần như tuyệt đối
trong các bộ biến tần vỡ nú cú ưu điểm của cả transistor bipolar (chịu được
dòng lớn) và MOSFET (điều khiển bằng áp).
Mạch nghịch lưu được nuôi bởi điện áp một chiều trung gian U
MC
. Tụ điện C
được mắc song song với nguồn để đảm bảo nguồn đầu vào là nguồn áp đồng
thời thực hiện trao đổi năng lượng phản kháng với điện cảm tải.
Mỗi pha của động cơ có thể được nối với cực dương “+” hay cực âm “-” của
U
MC
. Nếu quy ước: Các cuộn dây pha u, v, w có mức logic “1” khi được nối
với cực dương và có mức logic “0” khi được nối với cực âm của U
MC
thì với ba
pha sẽ tồn tại 8 khả năng nối pha của động cơ với U
MC
.
Bảng 2.1 Khả năng nối pha của động cơ với U
MC
stt
pha
0 1 2 3 4 5 6 7
u 0 1 1 0 0 0 1 1
v 0 0 1 1 1 0 0 1

Hình 2.4 Vector không gian ứng với khả năng nối pha thứ nhất
Chiếu u
s
lên trục các cuộn dây pha ta dễ dàng thấy được đú chớnh là các điện
áp thực sự rơi trờn cỏc cuộn dây pha.
Bảng 2.2 Điện áp rơi trờn cỏc cuộn dây pha ứng với mỗi khả năng nối pha
stt uvw u
su
u
sv
u
sw
0 000 0 0 0
1 100 2U
MC
/3 -U
MC
/3 -U
MC
/3
2 110 U
MC
/3 U
MC
/3 -2U
MC
/3
3 010 -U
MC
/3 2U

, u
1
, u
2
, u
3
, u
4
, u
5
, u
6
, u
7
. Trong đó vector u
0
ứng với trường hợp
23
cả ba cuộn dây nối với cực âm, vector u
7
ứng với trường hợp cả ba cuộn dây
nối với cực dương. Cả hai vector u
0
và u
7
đều có module bằng 0.
Vị trí tương đối của các vector chuẩn so với các trục α , β như sau:
Hình 2.5 Vị trí tương đối của các vector chuẩn so với các trục α, β
Các vector chuẩn chia không gian thành 6 phần: S
1

các tín hiệu sẽ được khuyếch đại để tạo đủ công suất mở các van động lực.
Như vậy đối với nghịch lưu áp ba pha thì ta phải cần ba bộ điều chế PWM cho
ba pha riêng biệt.
Phương pháp điều khiển nghịch lưu ở trên là phương pháp điều khiển tương tự.
Hiện nay trong các hệ truyền động điện hiện đại người ta không dùng phương
pháp này để điều khiển nghịch lưu mà dùng phương pháp điều chế vector điện
áp không gian với tín hiệu điều khiển IGBT được gửi đến từ vi xử lý hay vi
điều khiển. Theo phương pháp này bất kỳ một tín hiệu chủ đạo hình sin nào
cũng được quy đổi về các vector chuyển mạch chuẩn. Dựa trên các vector
chuyển mạch chuẩn này sẽ tính được thời gian đóng cắt của mỗi van trong một
chu kỳ trích mẫu, từ đó sẽ tạo được các xung điều khiển van. Hơn nữa với
phương pháp điều chế vector thì ta chỉ cần một bộ điều chế duy nhất cho cả ba
pha thay vì phải dùng ba bộ điều chế cho ba pha riêng biệt như trong kỹ thuật
điều khiển tương tự.
Giả sử vector cần thực hiện u
s
nằm ở góc phần sáu S
1
, khoảng giữa hai vector
chuẩn u
1
, u
2
.
25

Trích đoạn Mô phỏng hệ truyền động biến tần Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu điều khiển trực tiếp momen

---