202 Phạm Tâm Thành, Nguyễn Phùng Quang VCM2012
Điều khiển động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ Rotor
lồng sóc dựa trên cấu trúc tách kênh trực tiếp
Implementation of structure nonlinear controller based on
direct-decouling for Induction Motor
Phạm Tâm Thành**, Nguyễn Phùng Quang*
*Trường ĐHBK Hà Nội, e-Mail: [email protected]
**Trường ĐH Hàng Hải Việt Nam, e-Mail: [email protected]
Tóm tắt
Bài báo đưa ra phương pháp thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến cho động cơ không đồng bộ sử dụng
phương pháp tuyến tính hóa chính xác (cấu trúc tách kênh trực tiếp) một cách bài bản. Xuất phát từ ý tưởng
của phương pháp, đưa ra cấu trúc điều khiển cho động cơ không đồng bộ, tiến hành mô phỏng và cuối cùng là
phần triển khai thực nghiệm. Bài báo tập trung đi sâu phần cài đặt các thuật toán điều khiển phi tuyến này cho
động cơ không đồng bộ, đây là bước khởi đầu cần thiết cho việc chế tạo biến tần thương mại có tích hợp thuật
toán điều khiển phi tuyến để đáp ứng chế độ vận hành phi tuyến của máy điện xoay chiều ba pha
Abstract:
The paper proposes control-based exact linearization structure for Induction Motor (IM) . From the idea of
exact linearization, authours present direct-decoupling for IM, simulation and experiment. The paper
concentrates setting nonlinear control algorithms for IM. This is the initial step necessary for manufacture
productivity inverter integrated those algorithms control to respond nonliner operating of Three-phase AC
Machines
Key words: Nonlinear control, exact linearization, Induction Motor, real-time control, direct-decoupling

Ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
A, B, N,
S


, i
sq
A Thành phần dòng điện
stator trên hệ tọa độ dq
T
s
, T
r
s Hằng số thời gian
stator, rotor
L
sd
, L
sq
H điện cảm dọc trục và
ngang trục của stator

s
, 
rad/s vận tốc góc stator, vận
tốc góc rotor
s


rad
Góc pha của vector từ
thông rotor



Mã bài: 43
thiết kế điều khiển tuyến tính cho máy điện xoay
chiều ba pha nói chung hay động cơ không đồng
bộ rotor lồng sóc nói riêng đã chín muồi, gần như
hoàn hảo về tính năng và chất lượng [10]. Tuy
nhiên mô hình động cơ không đồng bộ Rotor lồng
sóc có đặc điểm phi tuyến cấu trúc bilinear (gây ra
bởi tích giữa các biến trạng thái và biến đầu vào).
Tính phi tuyến này chỉ có thể khắc phục bằng các
phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến như
cuốn chiếu (backstepping), tuyến tính hóa chính
xác, tựa thụ động, nguyên lý hệ phẳng tuy nhiên
nổi trội là phương pháp tuyến tính hóa chính xác
(exact linearization).
Có rất nhiều công trình thiết kế điều khiển theo
phương pháp tuyến tính hóa chính xác cho
ĐCKĐB-RLS [1-3,5-7,9-12], tuy nhiên các công
trình [1,3,5,6,7,9,10] chỉ dừng lại ở mức độ mô
phỏng, [11,12] đã tiến hành mô phỏng Hardware
in loop sử dụng card dspace 1103, [2] đã tiến hành
thực nghiệm. Tuy nhiên, chưa có công trình nào
chỉ ra phương pháp cài đặt thuật toán điều khiển
phi tuyến dựa trên phương pháp tuyến tính hóa
chính xác một cách bài bản. Bài báo tập trung giải
quyết vấn đề này một cách triệt để.
Bố cục bài báo gồm các phần: phần mở đầu giới
thiệu tổng quan và nội dung chính của bài báo,
phần cấu trúc điều khiển, phần mô phỏng và cuối

Biến đầu vào
1 2 3
; ;
sd sq s
u u u u u

  

Biến đầu ra
1 2 3
; ;
sd sq s
y i y i y

  

Trong đó:
'
1
'
2
2
1 2 3 1
1 1 1 2 2 2
3 3 3
( )
0
0
0 ; ;
0 0

   
 
   
 
(2)
với các tham số:
1 1 1
; ; ;
s s r
a b c d b c
L T T

  

    

2.2 Bộ điều khiển phi tuyến dựa trên nguyên lý
tuyến tính hóa chính xác
Tài liệu [4,8] trình bày cụ thể 04 bước thiết kế bộ
điều khiển phản hồi trạng thái dựa trên nguyên lý
TTHCX, khi đó hệ kín được đưa về hệ có tính chất
tuyến tính trên toàn bộ không gian trạng thái. Áp
dụng cho mô hình (1) ta tìm được luật điều khiển
PHTT
'
1
2
1 1
'
2 1

 
   
 
   
 
   
 
 
   
 
   
 
 
 
 
 
 
(3)
Các giá trị u
1
và u
2
được tính toán cụ thể
'
1 1 1 2 3
'
2 2 2 1 3
1
( )
1
H. 1 Mô hình điều khiển TTHCX quan hệ vào-ra cho hệ phi tuyến MIMO
z=Az+Bw,y=Cz


w

x

x

u

y

1 1
(x) (x) (x)w
L p L
 


dx
=f(x)+H(x)u
dt

g(x)

Đối tượng ĐK phi tuyến
204 Phạm Tâm Thành, Nguyễn Phùng Quang

Giá trị
0,180 kW
Điện áp định mức U
dm
220V
Số đôi cực p
p
2
Tần số 60Hz
Tốc độ 1800 vg/ph
Điện trở stato R
s

11.05 
Điện trở rôto R
r

6.11 
Điện cảm từ hoá L
m
0.293939 H
Mômen quán tính J 0,09 kgm
2

Điện cảm phía stato L
s
0.316423 H
Điện cảm phía rôto L
r
0.316423 H

t[s]
isd[A]

H. 3 Đặc tính dòng i
sd

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
t[s]
isq[A]

H. 4 Đặc tính dòng i
sq

~

=

3

2

αβ
dq


w
2

sd
u
sq
u

s
u

s
u

'
rd




i
sα
i
sq
i
sd
i
su
i



Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 205 Mã bài: 43
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
t[s]
Speed[rad/s]
Response Speed
Reference Speed

H. 5 Đặc tính tốc độ
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
-3
-2
-1
0
1

H. 7 Thực hiện hệ truyền động điện động cơ xoay
chiều ba pha
Hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều ba pha
được mô tả trong H.7. Động cơ xoay chiều ba pha
được cung cấp nguồn bởi nghịch lưu nguồn áp.
TMS320F28035 được sử dụng để tạo ra 6 tín hiệu
xung chiều chế (PWM) bằng cách sử dụng kỹ
thuật điều chế không gian vector, cho sáu van
công suất trong nghịch lưu. Hai dòng đầu vào của
động cơ (i
a
, i
b
) được đo lường từ nghịch lưu và
được gửi đến TMS320F28035 thông qua bộ
chuyển đổi ADC, điện áp DC bus của nghịch lưu
cũng được đo và gửi đến TMS320F28035 qua
ADC. Điện áp DC bus này là cần thiết để tính toán
điện áp ba pha của động cơ.
Vi xử lý tín hiệu DSP C2000 của hãng Taxes
Instruments sử dụng có thể là TMS320F28035 (vi
xử lý dấu phẩy tĩnh) hoặc TMS320F28335 (vi xử
lý dấu phẩy động).
3.2 Các lưu ý trước khi cài đặt thuật toán
- Chuẩn hoá:
Đây cũng chính là lưu ý trong [10], các thuật toán
đều được xây dựng với các biến và các tham số ở
dạng đại luợng vật lý nguyên thuỷ của chúng. Ở
dạng đó ta sẽ chưa thể cài đặt hay viết chương
trình sử dụng thuật toán. Trước khi bắt tay vào lập

gian được thể hiện rất cụ thể trong [10].
Đối với cấu trúc điều khiển tách kênh trực tiếp cho
ĐCKĐB-RLS đã đưa ra ở trên, ta thấy rằng cần
206 Phạm Tâm Thành, Nguyễn Phùng Quang VCM2012
phải bổ sung khối TKTT (DECOUPLING
MACRO) và khối MHTT (FLUX_MOD
MACRO), trong bài báo này các tác giả đã xây
dựng thành công các khối này.
- Cài đặt các thuật toán điều khiển: sử dụng các
module phần mềm (các macro), khi chạy chương
trình các macro được gọi tuần tự, nên xây dựng hệ
thống theo từng bước, xây dựng mạch vòng từ hở
đến kín, điều này rất quan trọng đối với ứng dụng
điều khiển thời gian thực, nơi các biến khác nhau
có thể ảnh hưởng đến hệ thống, cũng như các
thông số của động cơ cần phải được chỉnh định.
Với cách viết chương trình, cài đặt thuật toán điều
khiển dưới dạng cấu trúc như vậy rất trực quan và
thích hợp đối với các kỹ sư điều khiển-tự động hóa
3.3 Các bước cài đặt thuật toán điều khiển
ĐCKĐB-RLS dựa trên phương pháp tuyến tính
hóa chính xác
Cài đặt macro DECOUPLE
Xuất phát từ (3) ta tiến hành xây dựng module
DECOUPLE MACRO như hình dưới đây

H. 8 Module tách kênh trực tiếp



  


(5)

H. 9 Module mô hình từ thông
Đối với cấu trúc điều khiển TKTT ta có thể thực
hiện theo các bước:
Khi sử dụng increament encorder để đo tốc độ thì
cấu trúc trở nên đơn giản hơn. Và trong quá trình
cài đặt ta chỉ cần 5 bước:
- Bước 1: Kiểm tra module chuyển đổi hệ tọa độ
dq/αβ IPARK MACRO, kiểm tra dạng sóng đầu ra
T
a
, T
b
, T
c
của module điều chế không gian vector
SVGEN MACRO, kiểm tra tín hiệu PWM trước
khi đưa đến mạch công suất
- Bước 2: Thực hiện đo dòng, kiểm tra tín hiệu
dòng đưa tới ADC, khâu chuyển đổi abc/αβ, và
khâu chuyển đổi tọa độ αβ/dq
- Bước 3: Kết nối module tách kênh trực tiếp
DECOUPLING MACRO, chỉnh định 2 bộ điều
chỉnh dòng Ri

khi đưa đến mạch công suất
- Bước 2: Thực hiện đo dòng, kiểm tra tín hiệu
dòng đưa tới ADC, khâu chuyển đổi abc/αβ, và
khâu chuyển đổi tọa độ αβ/dq
- Bước 3: Kết nối module tách kênh trực tiếp
DECOUPLING MACRO, chỉnh định 2 bộ điều
chỉnh dòng Ri
sd
, Ri
sq
, đo lường tốc độ
- Bước 4: Kiểm tra tốc độ và từ thông ước lượng
- Bước 5: Chỉnh định bộ điều chỉnh tốc độ, thực
hiện mạch vòng kín tốc độ (có cảm biến tốc độ)
- Bước 6: Thực hiện hệ thống điều khiển TKTT
không sử dụng cảm biến tốc độ
Cấu trúc phần mềm khi các module macro được
liên kết với nhau

H. 11 Cấu trúc hệ thống khi không sử dụng cảm biến tốc độ (sensorless)

3.4 Một số kết quả thực nghiệm

H. 12 Thời gian đóng ngắt các van Ta, Tb, Tc và
Tb-Tc
H. 13 Thời gian đóng ngắt các van Ta, Tb, Tc và
Tb-Tc quan sát bởi oscilloscope

chính xác, thể hiện sự đúng đắn của thuật toán
điều khiển và cũng như phương pháp cài đặt các
thuật toán điều khiển
4. Kết luận
Bài báo đã cài đặt thành công thuật toán điều
khiển động cơ KĐB-RLS dựa trên phương pháp
tuyến tính hóa chính xác. Từ quá trình thiết kế
phần cứng thử nghiệm cũng như thực nghiệm cài
đặt thuật toán điều khiển, các tác giả đã đề xuất
một số giải pháp (lưu ý), cũng như tổng quát hóa
các bước tiến hành cài đặt thuật toán. Hy vọng bài
báo là tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư,
các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu phát triển
các cấu trúc điều khiển truyền động điện xoay
chiều ba pha.
Tài liệu tham khảo
[1] Bentaallah A, Meroufel A, Bendaoud Abdelber,
Massoum Ahmed, Fellah M.K, Exact
Linearization of an Induction Machine with
Rotoric Flux Orientation, Serbian Journal of
Electrical Engineering, Vol.5,No.2, November
2008,217-227
[2] Boukas T.K, Habetler T.G, High-performance
induction motor speed control using exact
feedback linearization with state and state
derivative feedback, IEEE Transactions on
Power Electronics, July 2004, Vol.19(4),
pp.1022-1028
[3] Chiasson John, A New Approach to Dynamic
Feedback Linearization Control of an Induction

adaptive global asymtotic stabilizer and
application to adaptive control of induction
motor, European Conference on Power
Electronics ans Application, pp.9
[10] Quang NP, Dittrich JA, Vector Control of
Three-Phase AC Machines – System
Development in the Practice. Spinger, 2008
[11] Raumer T.V, Dion J.M, Dugard L, Applied
nonlinear control of an induction motor using
digital signal processing, IEEE Transactions on
Control Systems Technology, 1994,
Vol.2(4),pp.327-335
[12] Tuan DA, Quang NP, Duc LM, A new and
effective controller for Induction Motor drives
using Direct-Decoupling Methodology based on
exact linearization algorithm and adaptive
backstepping teachnology, International
conference Control Automation and Systems,
Oct.2010, KINTEX, Gyeonggi-do,
Korea,pp.1941-1945
BIOGRAPHY
Sau khi tốt nghiệp phổ thông Chu Văn An năm
1970, đi du học tại Đức (TU
Dresden, viết tắt: TUD). Tháng
9/1975 tốt nghiệp Dipl Ing.
(Uni.) tại TUD về truyền động
điện tự động. Tháng 11/1991
bảo vệ luận án Dr Ing. với đề
tài về “Áp nhanh mômen quay
cho động cơ xoay chiều ba pha

Các lĩnh vực nghiên cứu: điều khiển truyền
động điện, điều khiển chuyển động và robot, điều
khiển vector cho các loại máy điện, điều khiển
điện tử công suất, điều khiển các hệ thống năng
lượng tái tạo (sức gió, mặt trời), hệ thống điều
khiển số, mô hình hóa và mô phỏng. Phạm Tâm Thành tốt nghiệp
Kỹ sư ngành Tự động hóa
Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội (HUST) tháng 6/2003.
Từ 6/2003-6/2004 tham gia
thiết kế, quản lý các dự án của
công ty Kurihara (Nhật Bản)
với một số dự án điện cơ: nhà
máy Toto, nhà máy Ryonan,
nhà máy Yasufuku,
trạm xử lý nước sạch tại Khu Công Nghiệp Bắc
Thăng Long - Hà Nội, nhà máy SumiRubber - Khu
công nghiệp Nomura Hải Phòng
Từ 6/2004 là Giảng viên Bộ môn Điện tự động
công nghiệp-Khoa Điện-Điện tử tàu biển-Trường
Đại học Hàng Hải Việt Nam (VIMARU). Nhận
bằng Thạc sỹ khoa học ngành Tự động hóa năm
2008 của Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam.
Là thành viên của Viện Kỹ nghệ Điện-Điện tử
(Institute of Electrical and Electronics Engineers-
IEEE).
Hiện đang là nghiên cứu sinh tại Viện Kỹ thuật