1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Ỹ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN THỊ NINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC
ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA SỬ DỤNG GIẢI PHÁP
INSTASPIN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60 52 02 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.

thông không đổi, điều khiển giữ tỉ số sức điện động khe hở tần số là hằng số, vùng
trên tốc độ cơ bản điện áp được duy trì không đổi, từ thông động cơ được giảm theo
tốc độ đảm bảo công suất động cơ không đổi.
Phương pháp trên có thể tạo ra đặc tính tĩnh tốt nhưng không đáp ứng được chất
lượng điều chỉnh trong quá trình quá độ. Hệ thống điều chỉnh định hướng theo từ
trường còn gọi là điều khiển vector có thể đáp ứng được các yêu cầu điều chỉnh trong
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu chế độ tĩnh và động. Nó cho phép điều chỉnh chế độ momen và từ thông động cơ
bằng điều chỉnh hai thành phần dòng điện stator tương ứng. Hệ thống điều chỉnh gồm
hai kênh điều khiển độc lập: điều khiển momen và điều khiển từ thông rotor, kênh
điều khiển momen gồm một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh từ
thông. Như vậy hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ có thể tạo ra được
đặc tính tĩnh và động cao so sánh được với động cơ một chiều.
Gói giải pháp InstaSpin là các thuật toán và phần mềm sử dụng cho các ứng
dụng điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều (biến tần) trên nền tảng các vi điều khiển
sản xuất gần đây. Các phần mềm nói trên được tích hợp ngay bên trong của vi điều
khiển nên sẽ rất dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng.
Bộ DRV8312-69M là một thiết bị dựa trên công nghệ của hãng InstaSpin để
điều khiển đánh giá động cơ. Bằng cách sử dụng công nghệ mới InstaSpin,
DRV8312-69M cho phép nhận dạng nhanh chóng, tự động điều chỉnh và điều khiển
động cơ theo yêu cầu công nghệ. Cùng với công nghệ InstaSpin, DRV8312-69M
cung cấp một hệ thống làm việc với hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra, khi
sử dụng thiết bị này trong sơ đồ mạch, động cơ được nối trực tiếp với DRV8312-69M
mà không cần phải qua các thiết bị hỗ trợ khác.
Vì vậy với yêu cầu cấp thiết trên, tôi xây dựng đề tài nghiên cứu khoa học:
“Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha
sử dụng giải pháp InstaSpin.”

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ XOAY CHIỀU BA PHA
1.1. Tổng quan về động cơ xoay chiều ba pha
Động cơ xoay chiều ba pha bao gồm động cơ đồng bộ (ĐCĐB) và động cơ
không đồng bộ (ĐCKĐB). ĐCKĐB được sử dụng rộng rãi hơn ĐCĐB do có cấu tạo
đơn giản, vận hành không phức tạp, giá thành rẻ và làm việc tin cậy. ĐCKĐB có
ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc và ĐCKĐB ba pha rotor dây quấn. Tuy nhiên hiện nay
loại rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối trên thị trường do dễ chế tạo, không cần
bảo dưỡng và kích thước nhỏ gọn. Mặt khác các ưu thế dễ điều khiển, điều chỉnh của
loại ĐCKĐB rotor dây quấn không còn tồn tại nữa do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ
thuật vi điều khiển đã cho phép thực hiện thành công các yêu cầu điều khiển phức tạp
đối với loại ĐCKĐB rotor lồng sóc. Vì những lý do trên, trong đề tài này tác giả chỉ
đề cập đến ĐCKĐB rotor lồng sóc.
Động cơ không đồng bộ là động cơ điện xoay chiều hai dây quấn mà chỉ có
một dây (sơ cấp) nhận điện từ lưới Nguyên lý làm việc chung của động cơ không
đồng bộ dựa trên hiện tượng từ tính quay mà F.D. Arago phát hiện ra năm 1824 và
được M.Faraday giải thích vào năm 1931. Nhưng trong những thí nghiệm của Arago
đĩa bằng đồng đã chuyển động được nhờ nam châm quay chứ không phải từ trường
quay tạo nên bằng thiết bị đứng yên là stator như các máy điện hiện nay. Chỉ đến năm
1979, U. Beli mới phát hiện ra một dụng cụ trong đó việc dịch chuyển trong không
gian của từ trường nhờ một thiết bị đứng yên gồm 4 nam châm điện được đặt trên
khoảng cách như nhau so với trụ quay của đĩa bằng đồng.
Để tạo nên từ trường quay người ta sử dụng một thiết bị chuyển mạch đặc biệt
cung cấp cho nam châm điện những xung điện một chiều có biên độ và chiều tương
ứng. Nhà bác học người Ý G.Fecrarix và nhà bác học người Nam Tư Ntecla, sống và
làm việc chủ yếu ở Mỹ đã phát hiện ra hiện tượng từ trường quay như nhận thức hiện
nay vào năm 1888 một cách độc lập nhau. Họ đã chứng minh thành công hai cuộn

mọi ưu điểm của truyền động một chiều và ít phải bảo dưỡng để chế tạo cùng mọi ưu
điểm khác.
1.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba pha
Từ phương trình cân bằng momen của động cơ:
(1)
Trong đó:
U
1
là trị số hiệu dụng điện áp pha stato
R
’
2
là điện trở của mạch roto đã quy đổi về stato
ω
1
là tốc độ góc của từ trường quay
f
1
là tần số điện áp nguồn đặt vào stato
p là số đôi cực của động cơ
R
1
là điện trở cuộn dây stato
X
nm
= (X
1
+ X
’
2

công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt.
(1-s)+s = const
Nếu lấy P
s
trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng.
Khi điều chỉnh với gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ (lấy năng
lượng P
s
phát lên lưới).
Khi điều chỉnh với gọi là điều chỉnh công suất trượt trên đồng
bộ (nhận năng lượng P
s
từ lưới) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hoặc
truyền động động cơ hai nguồn cấp.
Nếu tái sử dụng năng lượng P
s
để tạo P
cơ
gọi lại truyền động nối cấp cơ.
Phương pháp này không có ý nghĩa nhiều vì khi giảm còn thì tức là
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu công suất động cơ một chiều dùng để tận dụng P
s
phải gần bằng động cơ chính (động
cơ xoay chiều), nếu không thì lại không nên điều chỉnh sâu xuống. Trong thực tế,
người ta không sử dụng phương pháp này.
1.2.4. Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp stator

được điều chỉnh theo tốc độ trượt. Phương pháp này có nhược điểm là mỗi động cơ
phải cài đặt một sensor đo từ thông, không thích hợp cho sản xuất hàng loạt và cơ cấu
đo gắn trong đó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiễu.
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ thông
rotor mà không cần cảm biến tốc độ.
1.2.4.2 Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện
Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tần nguồn dòng. Biến tần nguồn dòng
có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thực hiện
hãm tái sinh động cơ. Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn dòng
điện, tức là dòng điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều
khiển. Để tạo nguồn điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm
xung áp một chiều có bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ- tích phân (khâu PI),
mạch lọc là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn.
- Điều chỉnh tần số- dòng điện: Việc điều chỉnh từ thông trong hệ thống biến tần
nguồn dòng được thực hiện tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp.
- Điều chỉnh vector dòng điện: Tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp, ở hệ
thống biến tần nguồn dòng cũng có thể thực hiện điều chỉnh từ thông bằng cách điều
chỉnh vị trí vector dòng điện không gian. Điều khác biệt là trong hệ thống biến tần
nguồn dòng thì dòng điện là liên tục và việc chuyển mạch của các van phụ thuộc lẫn
nhau.
- Điều khiển trực tiếp momen: Phương pháp này ra đời từ năm 1997, thực hiện
được đáp ứng nhanh. Vì ψ
r
có quán tính cơ nên không biến đổi nhanh được, do đó ta
chú trọng thay đổi ψ
s

- Giới thiệu được các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba
pha.
Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về động cơ xoay chiều ba pha, trong chương 2 sẽ
đi nghiên cứu mô hình hóa động cơ xoay chiều ba pha. 11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA
Sau đây ta đi xây dựng mô hình toán học của hệ thống [3].
2.1. Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha rotor lồng
sóc.
2.1.1. Hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ
Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến
mức tối đa đối tượng điều chỉnh. Để xây dựng mô hình toán học cho ĐCKĐB ta dựa
vào mô hình đơn giản của động cơ.

Hình 2.1: Mô hình đơn giản của động cơ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc
Về phương diện động, ĐCKĐB được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân bậc

r
là điện trở rotor đã quy đổi về stator
Phương trình (2.5) được biểu diễn trong hệ tọa độ cố định trên rotor và có trục thực đi
qua tâm trục rotor.
Các cuộn dây của động cơ có các điện cảm:
- L
m
hỗ cảm giữa rotor và stator
- L
σs
điện cảm tiêu tán trên cuộn dây stator
- L
σr
điện cảm tiêu tán trên cuộn dây rotor đã quy đổi về stator
Ta có các tham số sau:
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Điện cảm stator: L
s
= L
m
+ L
σs

- Điện cảm rotor: L
r
= L
m

tốc độ góc ω
k
bất kỳ và chuyển các phương trình vừa thu được sang hệ tọa độ k đó.
2.1.1.1. Phương trình điện áp stator
Sử dụng công thức chuyển hệ tọa độ ta có:

Đạo hàm bậc nhất (2.9c) ta có:

Trong đó là góc giữa trục thực của hệ tọa độ bất kỳ k và trục α của hệ tọa độ stator
thỏa mãn điều kiện: ω
k
= . Thay (2.9 a, b, d) vào phương trình 2.4 ta có phương
trình tổng quát điện áp stator:

14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Phương trình tổng quát (2.10) có thể áp dụng cho mọi hệ tọa độ vuông góc. Ta sẽ mô
tả trên hai hệ tọa độ, đó là hệ tọa độ cố định trên stator (hệ tọa độ αβ) và hệ tọa độ tựa
theo từ thông rotor (hệ tọa độ dq).
* Hệ tọa độ cố định trên stator (hệ tọa độ αβ)
Trường hợp này xảy ra khi ω
k
=0. Phương trình điện áp stator giữ nguyên dạng ban
đầu của nó như (2.4)
* Hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ dq)
Trường hợp này xảy ra khi ω
k
= ω

–ω=ω
r
. Hệ tọa độ chuyển động vượt trước so với
rotor bởi tốc độ góc ω
r
=2 chính là hệ tọa độ có trục thực trùng với trục từ thông
rotor, hệ tọa độ dq. Thay vào phương trình (2.13) ta có phương trình điện áp rotor
trên hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor:

2.1.2 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator
Các phương trình (2.4), (2.14) và (2.6 a, b) được tập hợp lại trong một hệ
phương trình mô tả đầy đủ ĐCKĐB. Với các vector thu được trên hệ tọa độ αβ ta có:

Từ hai phương trình (2.16 c, d) ta có:
(2.17a)
(2.17b)
Thay (2.17a, b) vào (2.16a, b) ta có:

Đặt và thay vào (2.18a, b), chuyển sang dạng các phần tử của
vector ta có hệ phương trình mô tả đầy đủ phần hệ thống điện của ĐCKĐB như sau:
16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Từ phương trình momen của động cơ, thay từ (2.6b) vào (2.7) ta có:
(2.20)
Hay
Hệ phương trình (2.19a, b, c, d) và (2.21) là mô hình cơ điện đầy đủ của
ĐCKĐB trên hệ tọa độ αβ.
Hình 2.2: Mô hình tổng quan của ĐCKĐB trong không gian trạng thái
∫

(t) 18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Mô hình biểu diễn dưới dạng các ma trận con như sau:
Hình 2.3: Mô hình trạng thái của ĐCKĐB minh họa bởi các ma trận con
2.1.3 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor

Thay (2.11b) và (2.14c) vào (2.30) ta có phương trình tính momen trên cơ sở
dòng stator và từ thông rotor như sau:

Hệ phương trình (2.29 a, b, c, d) và (2.31) là mô hình cơ điện đầy đủ của
ĐCKĐB trong trường hợp động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp.
Hệ phương trình (2.29a, b, c, d) có thể được viết lại dưới dạng mô hình trạng
thái phi tuyến như sau:

Trong đó:
là vector đại lượng đầu vào (vector điện áp stator) với các phần tử là số thực
là vector trạng thái với các phần tử là số thực
là ma trận hệ thống, là ma trận đầu vào, là ma trận ghép phi tuyến
là đại lượng đầu vào thứ ba.
Từ hệ phương trình (2.29 a, b, c, d) ta có các ma trận sau:
20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu (2.33)
(2.34); (2.35)
Ta có mô hình tổng quan của ĐCKĐB trong không gian trạng thái trên cơ sở
hệ tọa độ dq

Hình 2.4: Mô hình tổng quan của ĐCKĐB trong không gian trạng thái trên cơ sở hệ tọa độ dq

(2.39a) ; (2.39b)
Từ (2.38b) và (2.39b) ta thấy là ma trận rỗng với các phần tử có giá trị bằng
không. Do vậy, phương trình (2.36) có thể viết lại như sau:

Từ hệ phương trình (2.40a, b) ta có mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ αβ
như sau:

22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 2.5: Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ αβ
2.2.2. Mô hình gián đoạn của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor
Để xây dựng mô hình gián đoạn của hệ phi tuyến yếu một cách đơn giản nếu thỏa
mãn điều kiện các đại lượng đầu vào được coi là không đổi trong phạm vi một chu kỳ
trích mẫu. Lấy tích phân phương trình (2.32) ta có:


Các phương trình trên được minh họa như sau:

Nửa mô hình
trên
Nửa mô hình dưới

24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

MTu.
- Dùng một mạng tính dòng MTi để tính và từ từ thông rotor và
momen quay
25
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Xuất phát từ quan điểm xây dựng hệ thống cấu trúc như vậy ta có thể ghép các khâu
đó thành một khối hoàn chỉnh như sau:

Hình 2.7: Cấu trúc kinh điển của một hệ truyền động dùng động cơ không đồng bộ
nuôi bởi biến tần nguồn áp và điều chỉnh tựa theo từ thông rotor.
Trong thực tế cấu trúc kinh điển trên chỉ làm việc tốt trong chế độ tĩnh, chế độ
xác lập, trong chế độ động hay quá trình quá độ còn bộc lộ nhiều nhược điểm. Hiện
nay người ta sử dụng cấu trúc khác với hai đại lượng i
sd
và i
sq
là hai đại lượng phụ
thuộc lẫn nhau thông qua phần phi tuyến. Vì vậy khâu điều chỉnh dòng ĐCD phải
được thiết kế dưới góc độ coi động cơ không đồng bộ là đối tượng điều chỉnh đa
thông số và khâu ĐCD lúc đó sẽ là khâu điều chỉnh đa thông số. Khâu này có nhiệm
vụ áp cho từng thành phần dòng các đặc tính truyền đạt cho trước thông qua hai cụm
điều chỉnh nội tại nhánh dọc- đồng thời có nhiệm vụ cách ly và thông qua hai cụm
điều chỉnh nội tại nhánh ngang- hai đại lượng khỏi tác động nội tại lẫn nhau.