Published in Journal of CTST in 2005
§iÒu khiÓn trùc tiÕp tõ th«ng stato vµ m« men cña
®éng c¬ kh«ng ®ång bé ba pha sö dông kü thuËt ®iÒu
chÕ vec t¬ kh«ng gian
Vò Xu©n Hïng
§H B¸ch khoa Hµ Néi
Tãm t¾t:
Bµi b¸o tr×nh bµy kÕt qu¶ nghiªn cøu, kh¶o s¸t c¸c ®Æc tÝnh cña hÖ DSFTC §éng c¬ kh«ng ®ång bé (§C K§B) trªn c¬ së m« pháng. KÕt qu¶ tÝnh to¸n vµ m«
pháng ®­îc thùc hiÖn cho §C K§B 14 kW cÊp bëi biÕn tÇn IGBT - SVM. Bµi b¸o gåm
cã c¸c néi dung chÝnh sau: Nguyªn lý DSFTC, x©y dùng c¸c m« h×nh tÝnh to¸n tõ
th«ng stato, m«men ®iÖn tõ, khèi ®iÒu chÕ vec t¬ kh«ng gian.
Abstract:
This paper presents the results of the research and survey the static and
dynamic performances of the DSFTC and IM system. The simulations and evaluations
are performed by using actual parameters of a 14 kW induction motor fed by an IGBT
SVM inverter. The article consists of main contents: DSFTC scheme, evaluation
model stator flux, electromagnetic torque and space vector modulation (SVM).
Index Terms: DSFTC - Direct Stator Flux and Torque Control; FOC - Field Oriented
Control; DTC - Direct Torque Control; IM - Induction Motor; SVM - Space Vector
Modulation; IGBT - Isolated Gate Bipolar Transistor.
1. Giíi thiÖu
§iÒu khiÓn trùc tiÕp tõ th«ng stato vµ
m«men (DSFTC) lµ mét chiÕn l­îc tiªu biÓu
®Ó ®iÒu khiÓn ®éng c¬ kh«ng ®ång bé (§C
K§B). Ph­¬ng ph¸p nµy cho phÐp ®iÒu
khiÓn nhanh, chÝnh x¸c c¶ tõ th«ng stato vµ
m«men cña §C K§B mµ kh«ng ph¶i ®o tèc
®é, kh«ng cÇn bé ®iÒu chØnh dßng ®iÖn,
kh«ng cÇn khèi tÝnh chuyÓn hÖ täa ®é; cÊu
tróc ®¬n gi¶n vµ Ýt chÞu sù biÕn ®æi th«ng sè
cña ®éng c¬ h¬n so víi hÖ ®iÒu khiÓn vect¬
tùa theo tõ th«ng r«to (FOC). ChÝnh v× vËy
trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y hÖ DSFTC ®· thu
sù quan t©m cña ®«ng ®¶o c¸c nhµ khoa häc.
Tuy vËy cho ®Õn nay vÉn ch­a cã gi¶i ph¸p
triÖt ®Ó nh»m n©ng cao ®é chÝnh x¸c vµ gi¶m
tæn thÊt n¨ng l­îng cho hÖ DSFTC ë vïng
tèc ®é thÊp; vµ vÉn cßn Ýt c«ng tr×nh ®¸nh
gi¸, so s¸nh tæng thÓ vÒ hÖ DSFTC so víi hÖ
FOC, (theo [1] ®Õn [4]).
Bµi b¸o tr×nh bµy kÕt qu¶ nghiªn cøu,
kh¶o s¸t c¸c ®Æc tÝnh cña hÖ DSFTC - §C
K§B vµ ®­a ra mét sè so s¸nh víi hÖ ®iÒu
khiÓn vect¬ FOC dùa trªn kÕt qu¶ tÝnh to¸n
vµ m« pháng cho §C K§B 14 kW cÊp bëi
biÕn tÇn IGBT - SVM.
2. Kh«ng gian vec t¬ ®iÖn ¸p
S¬ ®å nguyªn lý biÕn tÇn ba pha nguån ¸p
h×nh 1.
Trong ®ã mçi khãa Tk (k=1, 2,...6) cã hai
tr¹ng th¸i 1 vµ 0, nÕu ta gäi Sk lµ biÕn tr¹ng
th¸i cña khãa Tk th× khi Sk=1 khãa ®ãng,
Sk=0 khãa më. Khi ®iÓm trung tÝnh cña ®éng
c¬ kh«ng nèi ®Êt th× ®iÖn ¸p c¸c pha ®­îc
tÝnh nh­ sau [3], [4]:
2S  S3  S5
uas  1
Vdc
(1)
3
1
 S1  2 S 3  S 5
Vdc (2)
3
 S1  S 3  2 S 5
ucs 
Vdc (3)
3
§Ó ý ta thÊy: uas+ubs+ucs = 0 (4)
VÐc t¬ ®iÖn ¸p stato trong hÖ täa ®é stato
®­îc tÝnh nh­ sau:
2
4
j
j
2
VS  Vdc ( S1  S 3 e 3  S 5 e 3 ) (5)
3
BiÓu thøc tÝnh to¸n tõ th«ng stato cña §C
K§B [5]:    ( Vs  R I )dt
(6)
s
s s
BiÓu thøc tÝnh m«men ®iÖn tõ [3], [4]:
3
M  p c Im S* .I S 
(7)
2
Lm
3
M  pc
Im r* . S  hay:
2 L S L r
Lm
3
(8)
M  pc
 r . S . sin 
2 L S L r
 lµ gãc gi÷a vec t¬ tõ th«ng s vµ r .
BiÓu thøc quan hÖ gi÷a gi÷a tõ th«ng stato
vµ tõ th«ng r«to [4]:
L m / LS
r 
 S (9)
1   .Tr s  j ( 1   ) .Tr
Tr =Lr/Rr lµ h»ng sè thêi gian r«to.
 hÖ sè ®iÖn c¶m t¶n; s to¸n tö Laplace.
Tõ ph­¬ng tr×nh trªn ta thÊy r»ng tõ th«ng
r«to trÔ so víi tõ th«ng stato víi h»ng sè thêi
gian trÔ Tr. Nh­ vËy, nÕu thêi gian lÊy mÉu
nhá h¬n thêi gian trÔ th× vect¬ tõ th«ng r«to
kh«ng thay ®æi trong khi vect¬ tõ th«ng stato
thay ®æi, ta nãi vec t¬ tõ th«ng r«to biÕn ®æi
chËm h¬n vect¬ tõ th«ng stato.
ubs 
Rh
T1
D1 T3
T4
D4
T5
D5
D6 T2
D2
D3
C
AC
Th
T6
AC/DC
§CK§B
DC/AC
H×nh 1: BiÕn tÇn nguån ¸p ba pha
dïng transistor lo¹i IGBT
§Ó kh«ng x¶y ra ng¾n m¹ch nguån mét
chiÒu th× hai van nèi víi mét pha ph¶i kh«ng
®ång thêi më. T¹i mçi thêi ®iÓm kh«ng kÓ
khi chuyÓn m¹ch sÏ cã 3 van ë ba pha më
nh­ vËy sÏ cã 23=8 vect¬ ®iÖn ¸p chuÈn
Vk(k=0,1,...7), trong ®ã hai vect¬ V0(0,0,0)
vµ V7(1,1,1) cã m«®un b»ng 0; 6 vec t¬ ®iÖn
Vab_inv1
Vdc
+
v
-
1
dp
Flux*
dm
Flux Control ler
M*
-
B
pulses
C
v
Scope1
A
is_abc
B
C
m
m_SI
Tm
Sabc
U_xy
Vdc
wm
Te
iabc, Wm, M
Inducti on Motor
14 kW / 380V
Ubc
1/z
U_xy
Torque Controll er
Discrete system
Ts=2e-005
Vbc
A
Sabc
Bangdong cat
dm
+
pulse
goc phi
delM
+
-
IGBT Inverter
isanpha
iabc
isbeta
MAT LAB
Function
Scope5
Tinh dong dien
Torque Controll er1
Flux Stato Estimate
Scope2
Phi
butter
U_xy
Pha phi
Anal og
Fil ter Desi gn
I_xy
Re
Is
Im
Te
|.|
Phis
T orque Estimate
1
z
H×nh 2: M« h×nh m« pháng hÖ DSFTC
¸p cßn l¹i sÏ chia kh«ng gian vect¬ lµm 6
vïng - gäi lµ 6 sector, h×nh 3. §Ó thùc hiÖn
mét vec t¬ ®iÖn ¸p bÊt kú ng­êi ta thùc hiÖn
dùa trªn 8 vect¬ ®iÖn ¸p chuÈn [3], [4].
3. C¸c biÓu thøc tÝnh to¸n tõ th«ng,
m«men §CK§B trong hÖ täa ®é stato
4. Nguyªn lý ®iÒu khiÓn trùc tiÕp tõ
th«ng stato vµ m«men §CK§B (DSFTC)
 CÊu tróc hÖ DSFTC nh­ h×nh 2.
 §Ó gi¶i thÝch nguyªn lý ®iÒu khiÓn hÖ
DSFTC ta xuÊt ph¸t tõ c¸c ph­¬ng tr×nh sau.
Ph­¬ng tr×nh tÝnh tõ th«ng stato khi bá qua
®iÖn trë stato [3], [4]:
2
d S  S
suy ra:  S  U S t (10)

dt
t
 (k 1)   k  
(11)
s
s
s
Trong ®ã  k lµ vec t¬ tõ th«ng stato t¹i thêi
s
®iÓm kt.
US 
®é, chiÒu quay cña tõ th«ng stato) b»ng c¸ch
lùa chän vect¬ ®iÖn ¸p thÝch hîp. Khi tõ
th«ng stato thay ®æi th× m« men còng thay
®æi theo ph­¬ng tr×nh tÝnh m«men tõ (8) ®Õn
(12). Nh­ vËy tïy theo sai lÖch m«men, sai
lÖch tõ th«ng gi÷a gi¸ trÞ ®Æt vµ thùc cña
®éng c¬ ta cã thÓ lùa chän viÖc thùc hiÖn
v

sv
S
s
Vs
(k+1)
su


k
s

H×nh 3a: Kh«ng gian vect¬ ®iÖn ¸p
dm

+1
-H
M=M-M*
s=-*
-H
H
H
-1
-1
H×nh 4a: Bé ®iÒu khiÓn M«men
Do tõ th«ng r«to biÕn ®æi chËm (cã thÓ xem
lµ kh«ng ®æi trong mét chu kú lÊy mÉu) vµ
tõ biÓu thøc tÝnh m«men (8) ta cã biÓu thøc
tÝnh ®é thay ®æi m«men nh­ sau:
M  M  k. r . S   S . sin(   ) (12)
Lm
3
(13)
pc
2 L S L r
§é thay ®æi gãc  vµ tèc ®é quay s cña
vect¬ tõ th«ng stato ®­îc
tÝnh nh­ sau:
Víi k 
H×nh 4b: Bé ®iÒu khiÓn tõ th«ng stato
vect¬ ®iÖn ¸p phï hîp ®Ó ®iÒu khiÓn m«men
M vµ tõ th«ng scña ®éng c¬ b¸m theo c¸c
gi¸ trÞ ®Æt M* vµ s*.
Gi¶ sö ta cã vect¬ tõ th«ng stato n»m
trong sector 1 nh­ h×nh 3a, khi thùc hiÖn
mét vect¬ ®iÖn ¸p ta sÏ cã gi¸ trÞ tõ th«ng
míi thay ®æi mét l­îng s vµ quay ®i mét
gãc , h×nh 3b.
B¶ng 1: B¶ng ®ãng c¾t van.
 sv
;(14)
   su
k
s

t
 sv  U sv t
 su  U su t
s 
r
H×nh 3b: §å thÞ vec t¬ gi¶i thÝch nguyªn lý DSFTC
d
+1
  arctg
u
s
(15)
(16)
(17)
Tõ c¸c ph­¬ng tr×nh trªn ta
thÊy r»ng cã thÓ ®iÒu khiÓn
trùc tiÕp tõ th«ng stato (biªn
3
NÕu c¸c bé ®iÒu khiÓn m«men, tõ th«ng lµ
c¸c kh©u phi tuyÕn cã d¹ng nh­ h×nh 4 th× ta
cã b¶ng ®ãng c¾t van nh­ b¶ng 1, [3].
§Ó lµm râ h¬n ý nghÜa cña b¶ng ®ãng
c¾t trªn ta xÐt mét tr­êng hîp khi vec t¬ tõ
th«ng stato n»m trong sector1 nh­ h×nh 3.
NÕu d =-1 vµ dm=-1 tøc lµ ta cÇn ph¶i t¨ng
tõ th«ng vµ t¨ng m«men cña ®éng c¬, ®Ó
lµm ®­îc ®iÒu nµy ta ph¶i lùa chän vec t¬
®iÖn ¸p V2(1,1,0). T­¬ng tù nÕu d =1 vµ
dm=-1 tøc lµ ta cÇn ph¶i gi¶m tõ th«ng vµ
t¨ng m«men cña ®éng c¬, ®Ó lµm ®­îc ®iÒu
nµy ta ph¶i lùa chän vec t¬ ®iÖn ¸p
V3(0,1,0).
S (Wb)
Time (sec)
H×nh 7: Tõ th«ng stato cña §C K§B
5. KÕt qu¶ tÝnh to¸n vµ m« pháng trªn
Simulink Matlab
Trong nguyªn lý ®iÒu khiÓn DFSTC thay v×
®o trùc tiÕp c¸c ®¹i l­îng (m«men, tõ th«ng)
ta thùc hiÖn viÖc tÝnh to¸n vµ quan s¸t b»ng
m« h×nh (phÇn mÒm) c¸c ®¹i l­îng nµy.
H×nh 5 lµ khèi ®iÒu chÕ vect¬ ®iÖn ¸p ®­îc
thùc hiÖn trªn c¬ së b¶ng ®ãng c¾t 1.
 KÕt qu¶ m« pháng ®iÒu khiÓn m« men
vµ tõ th«ng cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé:
H×nh 8: Quü ®¹o vect¬ tõ th«ng
stato cña §C K§B (quay trßn)
 øng dông hÖ DSFTC trong viÖc ®iÒu
khiÓn tèc ®é §C K§B:
§Ó æn ®Þnh tèc ®é ®éng c¬ kh«ng ®ång bé
trong hÖ DSFTC cÇn ph¶i cã thªm m¹ch
vßng ph¶n håi tèc ®é, ph­¬ng ph¸p tæng hîp
bé ®iÒu chØnh tèc ®é kh«ng kh¸c g× so víi hÖ
®iÒu khiÓn vect¬, xem [6]. Khi cã m¹ch
vßng ph¶n håi tèc ®é g¾n vµo hÖ DSFTC ta
cã mét sè kÕt qu¶ m« pháng nh­ h×nh 9,
h×nh 10.
H×nh 5: Khèi ®iÒu chÕ vÐc t¬ ®iÖn ¸p
H×nh 9: §Æc tÝnh m« men øng víi nhiÒu
cÊp tèc ®é cña §CK§B
H×nh 6: M« men cña §C K§B
4
- Ph­¬ng ph¸p ®iÒu chÕ vect¬ kh«ng gian
SVM cho hÖ DSFTC cã tÇn sè ®ãng c¾t van
thay ®æi liªn tôc dÉn ®Õn tæn hao ®ãng c¾t
lín.
- ChÊt l­îng ®iÒu khiÓn hÖ DSFTC gi¶m
m¹nh ë vïng tèc ®é thÊp, khi ®ã cÇn ph¶i bæ
sung thuËt to¸n quan s¸t tõ th«ng stato, lµm
cho hÖ trë nªn phøc t¹p, gi¶m ­u thÕ so víi
hÖ FOC.
Dùa vµo vµo kÕt qu¶ ph©n tÝch trªn cho phÐp
lùa chän hÖ DFSTC hay FOC phï hîp víi
tõng øng dông cô thÓ.
H×nh 10a: §iÖn ¸p pha, phæ sãng hµi ®iÖn ¸p
cÊp cho ®éng c¬ ë chÕ ®é x¸c lËp
H×nh 10b: Dßng ®iÖn, tèc ®é, m«men
cña ®éng c¬ ë tr¹ng th¸i th¸i x¸c lËp.
6. NhËn xÐt vµ kÕt luËn
Tõ kÕt qu¶ kh¶o s¸t ta thÊy hÖ DSFTC cã
®Æc tÝnh ®éng häc tèt: thêi gian qu¸ ®é nhá,
®é chÝnh x¸c cao, ®Æc tÝnh m« men, tõ
th«ng, tèc ®é lu«n b¸m theo gi¸ trÞ ®Æt.
So s¸nh hÖ DSFTC víi hÖ ®iÒu khiÓn vect¬
FOC mµ t¸c gi¶ ®· kh¶o s¸t [6] ta thÊy cã
mét sè ®Æc ®iÓm kh¸c sau:
- HÖ DSFTC cã cÊu tróc ®¬n gi¶n h¬n:
kh«ng cÇn m¹ch vßng dßng ®iÖn, kh«ng cÇn
chuyÓn hÖ täa ®é.
- HÖ DSFTC ®iÒu khiÓn m«men, tõ th«ng
nhanh h¬n hÖ FOC mµ kh«ng cÇn ph¶i ®o
tèc ®é ®éng c¬.
Tµi liÖu tham kh¶o
[1]. Giuseppe Buja, Mariamierkowski;
Direct Torque Control of PWM Inverter Fed AC Motors - A Survey; IEEE
Transactions on Industrial Electronics;
Volume 51, No 4, August 2004.
[2]. N.R.N. Idris, A.H.M. Yatim; Direct
Torque Control of Induction Machines with
Constant Switching Frequency And Reduced
Torque Ripple; IEEE Transactions on IE;
Volume 51, No 4, August 2004.
[3]. Domenico Casadei, others; FOC and
DTC: Two Viable Schemes for Induction
Motors Torque Control; IEEE Press; 2002.
[4]. Hoang Le Huy; Comparison of FOC
and DTC for Induction Motor Drives; IEEE
press, 1999.
[5]. Vò Xu©n Hïng, TrÇn V¨n ThÞnh; ¶nh
h­ëng cña luËt ®iÒu khiÓn biÕn tÇn tíi qu¸
tr×nh qu¸ ®é cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé, cã
xÐt tíi ¶nh h­ëng cña hiÖu øng mÆt ngoµi vµ
sù b·o hßa m¹ch tõ; T¹p chÝ Khoa häc vµ
c«ng nghÖ c¸c tr­êng §¹i häc, 6/2005.
[6]. Vò Xu©n Hïng, TrÇn V¨n ThÞnh;
Ph­¬ng ph¸p tæng hîp vµ m« pháng hÖ BT
®iÒu khiÓn vect¬ - NhËn d¹ng h»ng sè thêi
gian r«to; T¹p chÝ Khoa häc GTVT, 3/2005.
[7]. Vò Xu©n Hïng; TÝnh to¸n tæn thÊt n¨ng
l­îng trong qu¸ tr×nh ®éng cña ®éng c¬
kh«ng ®ång bé khi ®­îc cÊp ®iÖn tõ biÕn tÇn
PWM, T¹p chÝ Khoa GTVT, 11/2003.
[8]. T. V. ThÞnh, Vò Xu©n Hïng; øng
dông biÕn tÇn ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn xoay
chiÒu - Gi¶i ph¸p n©ng cao hiÖu suÊt sö dông
n¨ng l­îng cña hÖ BiÕn tÇn; Héi th¶o Khoa
häc vÒ tèi ­u hãa n¨ng l­îng - ViÖn khoa
häc vµ c«ng nghÖ NhiÖt - L¹nh, Tr­êng §¹i
häc B¸ch khoa Hµ néi, 11/2003.
5