ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN MÃO
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI
QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
S KC0 0 4 6 3 6
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN MÃO
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT
BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

LỜI CAM ĐOAN
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày …. tháng … năm 201…
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

CẢM TẠ
iii
CẢM TẠ
Với sự đóng góp, hướng dẫn tận tình của Thầy/Cô và các bạn, với sự cố gắng của
bản thân cùng với những kiến thức đã học. Tôi thực hiện đề tài đã hoàn thành mục tiêu đề ra
luận văn tốt nghiệp.
Tôi chân thành cảm ơn tất cả Thầy/Cô trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.
HCM, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến
thức trong suốt quá trình học tập. Đặc biệt các Thầy/Cô trong Khoa Điện – Điện Tử, đã trang
bị những kiến thức vô cùng quý báu để tôi có thể hoàn thành luận văn.
Trên hết, tôi chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS Dƣơng Hoài Nghĩa, TS. Phạm
Đình Trực – Trƣờng Đại học Bách Khoa TP. HCM, đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong
suốt quá trình làm luận văn. Với sự hướng dẫn của hai Thầy, tôi đã học hỏi được những kiến
thức mới góp phần nâng cao sự hiểu biết và hoàn thành luận văn đúng với những yêu cầu
đặt ra.
Tôi cũng chân thành cảm ơn tất cả các bạn trong lớp đã nhiệt tình đóng góp những
ý kiến để luận văn càng hoàn thiện hơn. Đây cũng chính là thành công của đề tài góp phần
tạo nên một sản phầm hoàn chỉnh.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình đã tích cực động viên, khuyến khích,
tạo mọi điều kiện thuận lợi và trực tiếp hỗ trợ kinh phí để luận văn được hoàn thành.
Ngƣời thực hiện đề tài
Trần Mão

TÓM TẮT
iv
TÓM TẮT
Động cơ không chổi than DC (BLDC) đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều
ứng dụng công nghiệp vì hiệu quả cao, mô-men xoắn cao và khối lượng thấp. Luận
văn sử dụng thuật toán điều khiển PID-FOC, Fuzzy-FOC để kiểm soát tốc độ và vị
trí của động cơ BLDC. Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về hiệu suất
điều khiển PID thông thường, điều khiển Fuzzy, và điều khiển Fuzzy- PID. Đó là khó
khăn để điều chỉnh các thông số và nhận được đặc điểm kiểm soát ổn định bằng cách
sử dụng bộ điều khiển PID thông thường bình thường. Khi Fuzzy có khả năng kiểm
soát đặc điểm ổn định và nó rất dễ dàng cho việc tính toán. Để điềukhiển động
cơ BLDC, một bộ điều khiển Fuzzy-PID được thiết kế như bộ điều khiển của động
cơ BLDC. Các kết quả thực nghiệm xác minh rằng một bộ điều khiển Fuzzy-PID có
hiệu năng kiểm soát tốt hơn các bộ điều khiển PID thông thường. Các mô hình, điều
khiển và mô phỏng của động cơ BLDC đã được thực hiện bằng cách sử dụng
MATLAB / SIMULINK.
ABSTRACT
Brushless DC (BLDC) motors are widely used for many industrial applications
because of their high efficiency, high torque and low volume. This thesis proposed
a improved Fuzzy-FOC, PID-FOC controller to control speed and position of
Brushless DC motor. This thesis provides an overview of performance conventional
PID controller and Fuzzy PID controller. It is difficult to tune the parameters and
get satisfied control characteristics by using normal conventional PID controller. As
the Fuzzy has the ability to satisfied control characteristics and it is easy for
computing, In order to control the BLDC motor, a Fuzzy PID controller is designed
as the controller of the BLDC motor. The experimental results verify that a Fuzzy
PID controller has better control performance than the conventional PID controller.
The modeling, control and simulation of the BLDC motor have been done using the
software package MATLAB/SIMULINK.

MỤC LỤC
v
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................1
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. ....................................................1
1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố..............................4
1.3. Mục đích của đề tài........................................................................................4
1.4. Nhiệm vụ của đề tài.......................................................................................5
1.5. Giới hạn của đề tài.........................................................................................5
1.6. Phương pháp nghiên cứu...............................................................................6
1.7. Hướng nghiên cứu. ........................................................................................6
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................7
2.1 Hệ thống Servo. .............................................................................................7
2.1.1 Giới thiệu. ...............................................................................................7
2.1.2 Hệ thống điều khiển................................................................................8
2.1.3 Cấu hình hệ thống servo. ........................................................................8
2.1.4 Phân loại................................................................................................10
2.2 Động cơ BLDC............................................................................................10
2.2.1 Giới thiệu chung....................................................................................10
2.2.2 Cấu tạo động cơ BLDC.........................................................................12
2.2.3 Sức điện động cảm ứng.........................................................................15
2.2.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC.............................................17
2.3 Phương trình động hệ quy chiếu..................................................................20
2.3.1 Phương trình động trong hệ quy chiếu 3 phase cố định........................20
2.3.2 Vector không gian.................................................................................22
2.3.3 Phương trình động trong hệ quy chiếu quay d-q ..................................25
2.3.4 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh và hệ trục tọa độ quay................26
2.3.5 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ quay abc và hệ trục tọa độ quay d-q.26
2.4 Điều khiển động cơ BLDC..........................................................................27
2.5 Phương pháp Field Oriend Control (FOC)..................................................28

MỤC LỤC
vi
2.5.1 Cơ sở lý thuyết......................................................................................28
2.5.2 Sơ đồ khối.............................................................................................31
2.5.3. Phương trình sử dụng trong việc điều khiển.........................................31
2.6 Thuật toán điều khiển động cơ BLDC.........................................................33
2.6.1 Thuật toán điều khiển PID....................................................................33
2.6.2 Thuật toán điều khiển Fuzzy logic........................................................38
2.6.3 Điều khiển PID mờ...............................................................................45
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƢƠNG PHÁP FOC46
3.1 Điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng thuật toán PID..............................46
3.1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ BLDC................................47
3.1.2. Bộ biến đổi dùng FET...........................................................................48
3.1.3. Kỹ thuật điều chế SVM ........................................................................49
3.1.4. Các khâu trong sơ đồ hệ thống .............................................................51
3.1.5. Kết quả mô phỏng.................................................................................52
3.2 Điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán PID ................................54
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động cơ BLDC..........................54
3.2.2. Kết quả mô phỏng.................................................................................55
3.3 Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán Fuzzy logic................................57
3.3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển vị trí..............................................................57
3.3.2 Các bước thực hiện mô phỏng..............................................................58
3.3.3 Kết quả mô phỏng.................................................................................61
3.4 Đánh giá kết quả..........................................................................................62
3.4.1 Điều khiển tốc độ..................................................................................62
3.4.2 Điều khiển vị trí ....................................................................................62
3.4.3 So sánh FOC_PID và FOC_FUZZY ....................................................63
3.5 Điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán FUZZY- PID.................64
3.5.1 Sơ đồ hệ thống ......................................................................................64
3.5.2 Kết quả mô phỏng.................................................................................65
CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN....................................67

MỤC LỤC
vii
4.1 KẾT LUẬN .................................................................................................67
4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................68

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu.
Lý thuyết về điều khiển tự động phát triển từ rất lâu, nó là một nhánh liên
ngành của kỹ thuật và toán học, liên quan đến hành vi của các hệ thống động lực. Đầu
ra mong muốn của hệ thống được gọi là giá trị đặt trước. Khi một hoặc nhiều biến
đầu ra của hệ thống cần tuân theo một giá trị đặt trước theo thời gian, một bộ điều
khiển điều khiển các đầu vào cho hệ thống để đạt được hiệu quả mong muốn trên đầu
ra hệ thống.
Một hệ thống điều khiển là một kết nối, bao gồm các thành phần tạo ra một
cấu hình hệ thống, cấu hình này sẽ cung cấp đáp ứng cho hệ thống. Sau đây chúng
ta xét các phương pháp để đáp ứng ngõ ra.
Hình 1.1 Quá trình được điều khiển trực tiếp [1]
Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vòng lặp hở (Không có thông tin phản hồi) [1]
Một hệ thống điều khiển vòng hở sử dụng một thiết bị chấp hành để điều
khiển trực tiếp quá trình mà không cần sử dụng thông tin phản hồi.
Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng thông tin phản hồi [1]

2
Trái ngược với một hệ thống điều khiển vòng hở, hệ thống điều khiển
vòng kín sử dụng thêm bộ phận đo lường của ngõ ra thực tế để so sánh với
đáp ứng ngõ ra mong muốn. Các phép đo ngõ ra được gọi là tín hiệu phản hồi.
Quá trình đầu vào ví dụ như điện áp, theo hiệu ứng của chu trình đầu ra ví dụ như
tốc độ hoặc moment của động cơ, được đo với bộ đo và được xử lý bởi bộ điều
khiển, kết quả được sử dụng làm đầu vào cho chu trình xử lý, đóng kín vòng lặp.
Các bộ điều khiển vòng kín có các ưu điểm so với các bộ điều khiển vòng
hở là:
- Loại trừ nhiễu (ma sát không đo được ở động cơ).
- Đảm bảo được thực hiện ngay với cả mô hình không chắc chắn, khi cấu
trúc mô hình không phù hợp hoàn hảo với quá trình thực và các thông sốmô
hình không chính xác.
- Giảm chu trình không ổn định có thể ổn định hóa.
- Giảm độ nhạy cho các thông số biến đổi.
- Kết quả theo dõi đặt trước được cải thiện.
Trong một vài hệ thống, điều khiển vòng kín và điều khiển vòng hở
được sử dụng đồng thời. Trong những hệ thống như vậy, điều khiển vòng hở
được nằm trong vòng kín nhằm nâng cao kết quả theo dõi giá trị đặt trước.
Trong những năm gần đây, điều khiển máy điện có bước phát triển nhảy
vọt. Đó là kết quả của việc tăng công suất và các tính năng của linh kiện điện tử
công suất và việc phát triển, hoàn thiện các cơ cấu điều khiển số có lập trìnhcủa
các bộ vi xử lý, vi điều khiển.
Nhờ sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp nói trên mà việc
áp dụng các phương pháp phức tạp vào điều khiển khiển các loại máy điện
ngày càng trở nên đơn giản và dễ dàng hơn.
Máy điện là một khái niệm để chỉ các loại máy dùng điện là nguồn hay
tạo ra năng lượng điện, hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi năng lượng, cơ
năng thành điện năng và ngược lại. Bên cạnh đó, máy điện còn có nhiệm vụ

3
chuyển giao, biến đổi năng lượng điện, ví dụ từ điện một chiều thành điện xoay
chiều, hay điện cao thế sang hạ thế và ngược lại.
Ngày nay, máy điện được dùng hầu hết trong các lĩnh vực kỹ thuật như
trong công nghiệp, giao thông vận tải, y học, vả cả dân dụng…Với công suất từ
vài mW đến GW.
Máy điện được chia ra làm các loại như sau.
Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát máy điện quay
Loại máy điện được đề cập trong luận văn này là Động cơ DC không chổi
quét (Brushless Direct Current motor (BLDC)), thuộc nhóm động cơ đồng bộ.
Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) từ lâu đã được ứng dụng
rộng rãi trong các hệ truyền động công suất nhỏ như các ỗ đĩa quang, quạt làm mát
máy tính cá nhân, thiết bị văn phòng…Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển được
thiết kế rất đơn giản và có độ tin cậy cao. Cùng với sự phát triển của công nghệ
chuyển mạch bán dẫn và kỹ thuật thiết kế các bộ biến đổi công suất lớn, nhữngưu
điểm của hệ truyền động sử dụng động cơ BLDC càng được thể hiện rõ rệt hơn

4
so với động cơ một chiều truyền thống cũng như động cơ không đồng bộ, đặc biệt là
trên các phương tiện di động sử dụng nguồn điện một chiều độc lập từ acquy, pin hay
năng lượng mặt trời. Trong đó không thể nhắc đến là trong các hệ truyền động kéo
trên xe điện với công suất từ vài chục đến 1000kW. Trong công nghiệp, chúng còn
được sử dụng rộng rãi trong các hệ điều khiển servo có công suất dưới 10kW.
Động cơ BLDC đối với các sinh viên đại học hay học viên cao học còn rất
mới, thậm chí đối với Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tính đến năm 2014
chưa có công trình nghiên cứu nào liên quan đến động cơ BLDC(cấp độ sinh viên đại
học và học viên cao học).
Phương pháp FOC, thuật toán PID, FUZZY đã phát triển từ lâu, ưu điểm của
phương pháp FOC là giúp việc điều khiển động cơ mềm mại ở tốc độ thấp cũng như
hiệu quả hoạt động ở các tốc độ cao nhờ vào việc hạn chế được các biến biến thiên
theo thời gian. Việc kết hợp FOC với các thuật toán PID, FUZZY giúp việc điều
khiển trở nên tốt hơn, kiểm soát đặc điểm ổn định, đáp ứng cũng nhanh hơn và độ vọt
lố nhỏ.
1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố.
Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless
Techniques and Application Trends, của các tác giả José Carlos Gamazo - Real,
Ernesto Vázquez -Sánchez and Jaime Gómez – Gil- Công bố vào ngày 19/07/2010.
Bài báo này đã trình bày các phương pháp điều khiển vị trí động cơ BLDC. Đồng thời
giới thiệu các nguyên tắc cơ bản của các kỹ thuật điều khiển, trong đó kỹ thuật Back-
EMF và ước lượng. Ngoài ra, bài báo còn phân tích những ưu và nhược điểm của
những phương pháp cũ và mới, để giúp người khác có cái nhìn sâu sắc hơntrong
kỹ thuật điều khiển. Bài báo cũng chỉ ra rằng, việc điều khiển động cơ sửdụng
cảm biến, chẳng hạn như các bộ mã hóa, phân giải hoặc cảm biến Hall có thể được
cải thiện bằng cách loại bỏ các cảm biến này để giảm chi phí và tăng độ tin cậy. Hơn
nữa, việc điều khiển sensorless là sự lựa chọn duy nhất cho một số ứng dụng mà ở
đó những bộ cảm biến không thể hoạt động tin cậy do điều kiện môi

5
trường khắc nghiệt hoặc do yêu cầu về hiệu suất cao hơn.
Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals, của tác giả Padmaraja Yedamale -
Microchip Technology Inc – Công bố vào năm 2003. Bài báo kết luận rằng: Động cơ
BLDC có các tính năng cao hơn động cơ DC có chổi quét và động cơ cảm ứng – Đặc
tính tốc độ/mô men tốt hơn, đáp ứng động cao, hiệu suất cao, tuổi thọ lâu, tiếngồn
vận hành nhỏ, dãi tốc độ cao hơn. Ngoài ra, trong những ứng dụng đòi hỏi khônggian
và trọng lượng thì động cơ BLDC càng có ưng thế do kích thước nhỏ gọn hơn so với
cùng công suất với các động cơ khác.
Mô phỏng động cơ một chiều không chổi than – của tác giả Thạc sỹ Mai Xuân
Minh – Đăng trên tạp chí khoa học công nghệ hàng hải số 14,15,16 năm 2008. Nội
dung nghiên cứu tính chất động của động cơ BLDC. Tác giả mô phỏng được dạng
sóng sức phản điện dựa vào cảm biến vị trí rotor, đáp ứng tốc độ và mô men.
1.3. Mục đích của đề tài.
Mục tiêu của đề tài là mông phỏng được động cơ BLDC bằng phương pháp
FOC kết hợp với các thuật toán PID, FUZZY trên nền Simulink của Matlab. Nghiên
cứu này nhằm đạt được:
- Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC.
- Thiết kế được bộ điều khiển động cơ dựa vào phương pháp FOC kết hợp với
các thuật toán PID, FUZZY, PID-FUZZY trên Simulink để điều khiển được tốc độ,
vị trí động cơ BLDC.
1.4. Nhiệm vụ của đề tài.
- Tìm hiểu về máy điện đồng bộ, đặc biệt tập trung vào động cơ DC không
chổi quét.
- Tìm hiểu các phương pháp điều khiển dành cho loại động cơ trên, từ đó
chọn phương pháp điều khiển phù hợp.
- Mô phỏng động cơ bằng Matlab/Simulink.
1.5. Giới hạn của đề tài.
Mặt dù người thực hiện đề tài đã cố gắng thực hiện nhưng sự hạn chế về kiến

6
thức chuyên môn và thời gian nghiên cứu nên người thực hiện đề tài chỉ tìm hiểu:
- Động cơ DC không chổi quét.
- Phương pháp FOC để điều khiển động cơ.
- Mô phỏng bằng Matlab/Simulink.
1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Tìm hiểu các tài liệu về động cơ BLDC, phương pháp FOC trong và ngoài
nước sau đó so sánh, đánh giá, lựa chọn và đưa ra được phương án tối ưu nhất.
1.7. Hƣớng nghiên cứu.
Trong thời gian tới, tôi sẽ tập trung nghiên cứu sâu và kỹ mô hình động và các
mô hình toán học của động cơ DC không chổi quét, tìm thông số thực của động cơ
để mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink.

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
7
2.1 Hệ thống Servo.
2.1.1 Giới thiệu.
Một cơ cấu Servo là một hệ thống điều khiển được cấu hình sao cho khi các
giá trị yêu cầu (vị trí, moment, tốc độ vv…) được nhập vào thì hệ thống sẽ nhận
biết các giá trị hiện thời (vị trí, moment, tốc độ vv…) và điều khiển để sự khác
biệt giữa giá trị yêu cầu và giá trị hiện thời là nhỏ nhất.
Các thành phần hình thành nên cơ cấu servo
- Bộ điều khiển.
- Động cơ servo
- Thiết bị nhận biết
Hình 2.1 Các thành phần hình thành nên cơ cấu servo [2]

8
2.1.2 Hệ thống điều khiển.
2.1.2.1 Điều khiển vòng hở.
Bộ điều khiển chỉ cần đặt vị trí lệch là động cơ có thể quay.
Hình 2.2 Sử dụng vòng lặp hở [3]
2.1.2.2 Điều khiển vòng kín.
Vòng hồi tiếp lúc này không phải hồi tiếp từ trục động cơ về mà vòng hồi
tiếp lúc này là hồi tiếp vị trí của bàn chạy thông qua một thướt tuyến tính. Lúc này
bộ điều khiển vị trí không điều khiển số vòng quay của motor nữa mà nó điều khiển
trực tiếp vị trí của bàn chạy. Nghĩa là các sai số tĩnh do sai số khác trong các bánh
răng hay hệ thống truyền động được loại bỏ.
Hình 2.3 Sử dụng vòng lặp kín [3]
2.1.3 Cấu hình hệ thống servo.
Trong đó phần A B C là phần so sánh xử lý tín hiệu hồi tiếp và hiệu chỉnh
lệnh. Phần D E là cơ cấu thực thi và hồi tiếp. Các phần A B C thì khá phổ dụng trong
các sơ đồ khối điều khiển, phần D E thì tùy các thiết bị sử dụng mà chúng có khác
nhau đôi chút nhưng về bản chất chúng hoàn toàn giống nhau. Sau đây là một số ví
dụ về phần D E thường gặp.

9
Hình 2.4 Sơ đồ khối với hai vòng hồi tiếp vị trí và tốc độ [3]
Hình 2.5 Hai loại cơ cấu thực thi và hồi tiếp phổ biến [3]

10
2.1.4 Phân loại
Động cơ Servo được chia làm hai loại theo sơ đồ sau
Hình 2.6 Phân loại động cơ Servo
2.2 Động cơ BLDC
2.2.1 Giới thiệu chung.
Hình 2.7 Hình dáng ngoài động cơ BLDC

11
Động cơ một chiều không cổ góp (BLDC) từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi
trong các hệ truyền động công suất nhỏ như các ỗ đĩa quang, quạt làm mát máy tính
cá nhân, thiết bị văn phòng…Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển được thiết kế
rất đơn giản và có độ tin cậy cao. Cùng với sự phát triển của công nghệ chuyển mạch
bán dẫn và kỹ thuật thiết kế các bộ biến đổi công suất lớn, những ưu điểm củahệ
truyền động sử dụng động cơ BLDC càng được thể hiện rõ rệt hơn so với độngcơ
một chiều truyền thống cũng như động cơ không đồng bộ, đặc biệt là trên các phương
tiện di động sử dụng nguồn điện một chiều độc lập từ acquy, pin hay năng lượng mặt
trời. Trong đó không thể nhắc đến là trong các hệ truyền động kéo trên xe điện với
công suất từ vài chục đến 1000kW. Trong công nghiệp, chúng còn đượcsử dụng rộng
rãi trong các hệ điều khiển servo có công suất dưới 10kW.
Mặc dù được gọi là động cơ một chiều nhưng thực chất động cơ BLDC thuộc
loại động cơ xoay chiều đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu. Nhưng có một lý do
mang tính lịch sử của tên gọi “động cơ một chiều không cổ góp” là nó đượctạo ra
nhằm loại bỏ những nhược điểm của động cơ một chiều trong khi vẫn giữ được đặc
tính mômen/tốc độ tuyến tính và những ưu điểm trong điều khiển của động cơ một
chiều.
Thay cho sự chuyển mạch dòng phần ứng sử dụng chổi than và cổ góp thì động
cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử. Điều này loại bỏ được các nhược điểm của
cơ cấu chuyển mạch chổi than – cổ góp cơ khí, đó là hiện tượng đánh lửa và mài mòn.
Do đó, động cơ BLDC hoạt động tin cậy hơn động cơ một chiều truyềnthống và ít
phải bảo dưỡng. Do có các cuộn dây phần ứng đặt trên Stator nên dễ dàng dẫn nhiệt
từ các cuộn dây ra ngoài vỏ, cũng như sử dụng các phương pháp làmmát cưỡng bức
khác nếu cần. Vì vậy động cơ BLDC có mật độ công suất lớn hơn động cơ một chiều
truyền thống.
Động cơ BLDC có nhiều ưu điểm so với động cơ một chiều truyền thống và
động cơ không đồng bộ, đó là:
- Đặc tính tốc độ/mômen tuyến tính
- Đáp ứng động nhanh do quán tính nhỏ

12
- Hiệu suất cao do sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu nên không có tổn hao
đồng trên rotor
- Tuổi thọ cao do không có chuyển mạch cơ khí
- Không gây nhiễu khi hoạt động
- Dải tốc độ rộng
- Mật độ công suất lớn
2.2.2 Cấu tạo động cơ BLDC
Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển
mạch điện tử thay cho kết cấu chổi than và cổ góp để chuyển mạch dòng điện cấp cho
các cuộn dây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh. Để làm đượcđiều
đó, phần ứng cũng phải tĩnh. Như vậy, về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơBLDC
và động cơ một chiều truyền thống có sự hoán đổi vị trí giữa phần cảm và phần ứng:
phần cảm trên rôto và phần ứng trên stato.
Như đã giới thiệu, động cơ BLDC có các cuộn dây phần ứng đặt trên stato (gọi
là các cuộn dây stato) còn các nam châm vĩnh cửu được đặt trên rôto theo nhiềucách
kết cấu khác nhau
Hình 2.8 Cấu trúc chính của động cơ BLDC [4]

13
Tuỳ thuộc vào số cuộn dây stato ta có các loại động cơ BLDC một pha, hai
pha, ba pha tương ứng có một cuộn dây, hai cuộn dây, ba cuộn dây trên stato. Trong
đó loại động cơ ba pha được sử dụng phổ biến hơn cả.
Trong động cơ một chiều truyền thống, thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa
các cuộn dây phần ứng được xác định một cách tự nhiên do kết cấu và sự bố tríphù
hợp giữa các cặp cực trên stato và cơ cấu chổi than - cổ góp. Động cơ BLDC không
có cơ cấu chổi than - cổ góp nên cần phải có các phần tử và phương pháp để xác định
vị trí của rôto nhằm đưa ra các tín hiệu điều khiển trình tự cấp điện cho cáccuộn dây
pha phù hợp.
2.2.2.1 Kết cấu rotor của động cơ BLDC
Rotor của động cơ BLDC gồm có phần lõi bằng thép và các nam châm vĩnh
cửu được gắn trên đó theo các cách khác nhau. Về cơ bản có hai phương pháp gắn
các nam châm vĩnh cửu trên lõi rotor:
- Rotor có nam châm gắn trên bề mặt lõi:
Các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt lõi rôto. Kết cấu này đơn giản
trong chế tạo nhưng không chắc chắn nên thường được sử dụng trong phạm vi tốc
độ trung bình và thấp.
Hình 2.9 Rotor có nam châm gắn trên bề mặt [5]

14
- Rôto có nam châm ẩn bên trong lõi:
Trong lõi rotor có các khe dọc trục và các thanh nam châm vĩnh cửu được chèn
vào các khe này. Kết cấu này khó khăn trong chế tạo và lắp ráp, đặc biệt là khicông
suất lớn, nhưng chắc chắn và được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao.
Hình 2.10 Rotor có nam châm ẩn bên trong lõi [5]
Trong động cơ BLDC, các nam châm vĩnh cửu trên rôto tạo ra từ trường hướng
tâm và phân bố đều dọc theo khe hở không khí giữa stator và rotor.
Vật liệu làm nam châm thông thường là ferit, tuy giá thành rẻ nhưng mật độ
từ trường thấp. Các loại nam châm được sản xuất từ các hợp kim đất hiếm có mật độ
từ trường cao hơn nhiều, và cho phép tạo ra các nam châm có mật độ từ trường cao
trong khi kích thước và trọng lượng thấp. Điều này đặc biệt có ích đối với các động
cơ công suất lớn. Nam châm được sản xuất từ hợp kim hiếm có giá thành cao và
thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng cao cấp.
2.2.2.2 Kết cấu stator của động cơ BLDC
Stator của động cơ BLDC gồm các lá thép mỏng được xếp chặt cùng với các
cuộn dây được đặt trong các khe dọc theo mặt bên trong của stator. Kết cấu như vậy
trông giống như trong động cơ không đồng bộ.
Tuy nhiên khác với động cơ không đồng bộ, các dây quấn stator của động cơ
BLDC được phân bố với mật độ đều nhau dọc theo mặt trong của stator

15
Hình 2.11 Các phân bố cuộn dây trên Stator [5]
Với sự phân bố từ trường và cách phân bố các cuộn dây stator như vậy, động
cơ BLDC có sức điện động hình thang và tạo ra mômen lớn hơn, công nghệ chế tạo
đơn giản hơn, rẻ tiền hơn; nhưng đập mạch mômen cũng lớn hơn động cơ có sức điện
động hình sin.
2.2.2.3 Cảm biến vị trí rotor
Các cảm biến vị trí rotor được gắn trên stator có nhiệm vụ cung cấp thông tin
về vị trí của rotor cho mạch điều khiển cấp điện cho các cuộn dây stator. Các cảm
biến này sẽ được nghiên cứu kỹ hơn ở phần sau.
2.2.3 Sức điện động cảm ứng
Hình vẽ dưới đây minh hoạ kết cấu đơn giản của một động cơ BLDC với rotor
có hai cực từ:
Hình 2.12 Minh họa kết cấu động cơ BLDC

16
Như đã phân tích ở phần kết cấu động cơ BLDC, ta thấy rằng có sự phân bố đều
các vòng dây ở mặt trong stator cũng như sự phân bố đều từ trường rotor dọc theo
khe hở không khí giữa stator và rotor. Có thể giả sử thêm rằng sự phân bố từ trường
tại trục tiếp giáp giữa hai cực từ (trục Δ1Δ2) cũng đều.
Phân tích sự hình thành sức điện động cảm ứng trong cuộn dây pha A khi rotor
quay như sau:
- Khi góc θr giữa trục từ rotor và trục từ cuộn dây pha A có giá trị trong khoảng
từ π/6 đến 5π/6. Trong phạm vi này, khi rotor quay theo chiều mũi tên trên hình vẽ
thì toàn bộ các thanh dẫn của cuộn dây pha A đều chuyển động vuông góc với một
trừ trường đều. Do đó trong mỗi thanh dẫn cảm ứng một sức điện động xác định theo
biểu thức:
E0=Blv=Blrωm 2.1
Trong đó:
B: Là mật độ từ trường do các nam châm rôto tạo ra
l: Chiều dài của mỗi thanh dẫn
v: Vận tốc dài của thanh dẫn khi cắt qua từ trường
ωm: Vận tốc góc của rotor
r: Bán kính rotor
Nếu cuộn dây pha có N vòng dây, tức là có 2N thanh dẫn cắt qua từ trường, thì
sức điện động tổng trong cuộn dây là:
E=2NBlrωm 2.2
Vậy khi tốc độ quay không đổi thì sức điện động cảm ứng là hằng số.
- Khi góc θr có giá trị trong khoảng từ 5π/6 đến 7π/6. Trong phạm vi này, các
thanh dẫn sẽ chuyển động vuông góc với một từ trường có mật độ đều nhưng có các
vectơ cảm ứng từ ngược chiều nhau. Do đó sức điện động cảm ứng trong các thanh
dẫn cũng ngược chiều và làm giảm dần sau đó đảo chiều sức điện động tổng. Tại vị
trí θr bằng 7π/6 sẽ kết thúc một bán kỳ chuyển động của rôto. Bán kỳ sau lặp lại tương
tự nhưng với sức điện động đã đổi dấu. Phân tích tương tự cho các pha cònlại ta
xây dựng được các đường cong sức điện động pha theo vị trí rôto như sau

17
Hình 2.13 Sức điện động cảm ứng trên các cuộn dây pha
Những phân tích trên áp dụng với động cơ mà rôto có một cặp cực nhưng hoàn
toàn tương tự cho loại có nhiều cặp cực. Chỉ có một điều lưu ý là khi đó một chu kỳ
cơ (một vòng quay của rotor) sẽ gồm có p/2 chu kỳ điện (p là số cực từ trên rotor).
Nhận thấy rằng sức điện động cảm ứng trên các pha có dạng hình thang với
khoảng giá trị hằng số có độ rộng là 1200
điện.
2.2.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC
Điều khiển động cơ BLDC bằng cách chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây
pha theo một thứ tự và vào những thời điểm nhất định.
Mô men quay được tạo ra là do sự tương tác giữa hai từ trường: từ trường do nam
châm rotor tạo ra và từ trường tổng do dòng điện trong các cuộn dây pha tạo ra. Xu
hướng của rotor là quay đến vị trí sao cho hai vectơ từ trường tổng trùng

18
nhau. Mô men quay đạt giá trị lớn nhất là khi hai từ trường vuông góc với nhau.
Trong quá trình hoạt động, tại một thời điểm chỉ có hai cuộn dây pha được cấp
điện, cuộn dây thứ ba không được cấp điện, và việc chuyển mạch dòng điện từ cuộn
dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra từ trường quay và làm cho rotor quay theo.
Như vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ vào
chiều quay của rotor.
Thời điểm chuyển mạch dòng điện từ pha này sang pha khác được xác định sao
cho mô men đạt giá trị lớn. Ta có mô men được xác định bằng biểu thức:
Te= (eaia+ebib+ecic)*1/wr 2.3
Trong đó:
ea, eb, ec: Sức điện động cảm ứng của pha A, B, C (V)
ia, ib, ic: Dòng điện các pha A, B, C (A)
ωr: Vận tốc góc của trục Rotor (rad/s)
Để đạt được yêu cầu trên, ta mong muốn cấp điện cho cuộn dây vào thời điểm
sao cho dòng điện trùng pha với sức điện động cảm ứng và dòng điện cũng được điều
chỉnh để đạt biên độ không đổi trong khoảng có độ rộng 1200
điện. Nếu không trùng
pha với sức điện động thì dòng điện cũng sẽ có giá trị lớn và gây thêm tổn haotrên
stator
Hình 2.14 Sự trùng pha giữa sức điện động cảm ứng và dòng điện [6]
Việc xác định thời điểm chuyển mạch dòng điện bằng việc giám sát trực tiếp
sức điện động cảm ứng pha được gọi là kỹ thuật điều khiển không cảm biến

19
Do có mối liên hệ giữa sức điện động cảm ứng pha và vị trí của rotor như mô tả
ở phần trên nên việc xác định thời điểm cấp điện cho các cuộn dây còn có thể thực
hiện được bằng việc xác định vị trí của rotor nhờ các cảm biến vị trí.
Trong động cơ BLDC sử dụng cảm biến vị trí hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến
Hall). Hiệu ứng Hall được E.H.Hall tìm ra năm 1879 và được mô tả như sau: khi một
dây dẫn điện đặt trong một từ trường, từ trường sẽ tác động một lực lên các điện tích
đang chuyển động trong dây điện và có khuynh hướng đẩy chúng sang một bên của
dây dẫn. Điều này rất dễ hình dung khi dây dẫn có dạng tấm mỏng. Sự tích tụ các
điện tích ở một bên dây dẫn làm xuất hiện điện áp giữa hai mặt của dây dẫn. Điện áp
này có độ lớn tỷ lệ với cường độ từ trường và cường độ dòng điện qua dây dẫn
Hình 2.15 Cách bố trí cảm biến Hall trên động cơ BLDC [7]
Động cơ BLDC có ba cảm biến Hall được đặt trên stator. Khi các cực của nam
châm trên rotor chuyển động đến vị trí cảm biến Hall thì đầu ra của cảm biến có
mức logic cao hoặc thấp, tuỳ thuộc vào cực nam châm là N hay S. Dựa vào tổ hợp
các tín hiệu logic của ba cảm biến để xác định trình tự và thời điểm chuyển mạch
dòng điện giữa các cuộn dây pha stator.
Thông thường có hai cách bố trí ba cảm biến Hall trên stator là bố trí lệch nhau
600
hoặc 1200
trong không gian. Mỗi cách bố trí đó sẽ tạo ra các tổ hợp tín hiệu

20
logic khác nhau khi rotor quay.
Hình 2.16 Tín hiệu cảm biến hall sensor [8]
Quan sát hình trên ta thấy, thời điểm chuyển mạch dòng điện là thời điểm mà một
trong ba tín hiệu cảm biến Hall thay đổi mức logic. Cũng từ hình trên thấy rằngtrong
một chu kỳ điện có sáu sự chuyển mức logic của ba cảm biến Hall. Do đótrình
tự chuyển mạch này gọi là trình tự chuyển mạch sáu bước.
Việc gắn các cảm biến Hall trên stato là một quá trình phức tạp và yêu cầu độ
chính xác cao. Việc lắp các cảm biến Hall trên stato không chính xác sẽ dẫn đến
những sai số khi xác định vị trí rôto. Để khắc phục điều này, một số động cơ có thêm
các nam châm phụ trên rôto để phục vụ cho việc xác định vị trí rôto. Các nam châm
phụ này được gắn như các nam châm chính nhưng nhỏ hơn và thường được gắn trên
phần trục rôto nằm ngoài các cuộn dây stato để tiện cho việc hiệu chỉnh. Kết cấu như
vậy giống như cơ cấu chổi than - cổ góp trong động cơ một chiều truyền thống.
2.3 Phƣơng trình động hệ quy chiếu
2.3.1 Phương trình động trong hệ quy chiếu 3 phase cố định
Phương trình điện áp stato và rotor:
vabc  Rs iabc  dabc / dt 2.4
vABC Rr iABC  dABC / dt 2.5
Phương trình từ thông stato và rotor:

21
 
 
 
 
L
abc  Ls iabc  Lsr iABC 
2.6
  L i  Lt
i  2.7
ABC r ABC sr ABC
Trong đó
t
sr là ma trận chuyển vị của Lsr
Phương trình truyền động quay theo định luật 2 Newton
T T  Jdwr 2.8
e L Pdt
Định nghĩa các ma trận và vector
va 
vabc  vb



vc


ia 
iabc  ib



ic


vA 
vABC   vB



vC


iA 
iABC  iB



iC


Ma trận điện cảm tương hỗ giữa stator và rotor:
2.9
2.10
2.11
2.12
 cos cos( 2/ 3) cos( 4 / 3)
Lsr  LaA
cos( 4 / 3) cos cos( 2 / 3) 2.13
 
cos( 2/ 3) cos( 4/ 3) cos 
Ma trận điện cảm stator:
Laa
Ls   Lba
Lab Lac 
Lbb bc





2.14
 

L

22
Ma trận điện cảm rotor: 
Lca
Lcb
Lcc



23

LAA
Lr  LBA
LAB
LBB
LAC 

BC
2.15
 

LCA
LCB
LCC


Ưu điểm của mô hình trên là:
- Tính toán chính xác các giá trị tức thời của tất cả các đại lượng điện từ
trong máy.
- Xem xét đầy đủ quan hệ tương hỗ giữa năng lượng điện và cơ
Nhược điểm của mô hình trên là:
- Phải xác định chính xác các cuộn dây cuộn cảm.
- Tính toán phức tạp.
- Tham số của hệ phương trình thay đổi theo thời gian
2.3.2 Vector không gian
Cho hệ 3 phase:
Ia  Icos wt 2.16
Ib  Icos w(t  2 / 3) 2.17
Ic  Icos w(t  4 / 3) 2.18
Định nghĩa vector không gian như sau:
i 
2
i  ai  a2
i 


2.19
Trong đó:
3 a b c
a  ej2/3
a3
1
1 a  a2
 0
L

24
Hình 2.17 Vector không gian dòng stator [9]
Trong đó (a,b,c) là 3 trục trong hệ thống 3 pha, vector không gian dòng điện được
mô tả trong hệ thống 3 phase hình sin. Nó cũng cần phải được biến đổi qua hệ quy
chiếu d-q, chuyển đổi này được thực hiện 2 bước.
- Bước 1: (a,b,c) (α,β): Biến đổi Clarke
- Bước 2: (α,β) (d,q): Biến đổi Park
2.3.2.1 Biến đổi Clarke
Vector không gian có thể được mô tả trong hệ quy chiếu khác với chỉ 2 trục vuông
góc nhau gọi là (α,β). Giả sử rằng trục a và trục α cùng hướng với nhau, chúng ta có
sơ đồ vector như sau:
Hình 2.18 Vector không gian dòng stator và các thành phần của nó trong hệ quy
chiếu tĩnh [9]

25
Khi đó:
is
is

 ia



ia  ib
Dòng điện trên 2 phase vẫn còn phụ thuộc vào tốc độ và thời gian.
2.3.2.2 Biến đổi Park
Đây là biến đổi quan trọng nhất trong phương pháp FOC. Nếu chúng ta xem xét
trục d trùng với từ thông rotor, thì ta có sơ đồ sau:
Hình 2.19 Vector không gian dòng stator và các thành phần trong hệ quy chiếu
quay d-q [9]
Trong đó, θ xác định vị trí từ thông rotor. Thành phần từ thông và mô men của
vector dòng điện được xác định bằng các phương trình sau:
isd  iscos is sin 
isq  is sin  iscos
2.20
2.21
Các thành phần này phụ thuộc vào các thành phần vector dòng điện (α,β) và vị
trí từ thông rotor. Nếu chúng ta biết vị trí từ thông rotor, sau đó bằng biến đổi này,
thành phần d,q trở thành hằng số. Các dòng trên 2 phase lúc này là dc (không phụ
thuộc vào thời gian). Tại điểm này, điều khiển mô men trở nên đơn giản trong đó
thành phần dòng điện isd (thành phần từ thông) và thành phần isq (thành phần mô men)
là hằng số và điều khiển độc lập được.

26
2
2.3.3 Phương trình động trong hệ quy chiếu quay d-q
2.3.3.1 Đặc điểm của hệ quy chiếu quay d-q:
- Hệ quy chiếu quay d-q gồm ba trục odq vuông góc với nhau từng đôi
một.
- dq nằm trong mặt phẳng của 3 trục a,b,c; A,B,C.
- O vuông góc với a,b,c; A,B,C 3pha cân bằng đối xứng nên 3 trục a,b,c;
A,B,C nằm trong 1 mặt phẳng.
Hình 2.20 Biến đổi từ miền 3 phase sang hệ quy chiếu quay [10]
2.3 Các phương trình động trong hệ quy chiếu quay d-q:
Phương trình điện áp stator trên trục q và d
v  R i  dds
   2.22
ds s ds dt a qs
v  R i  dqs
  2.23
qs s qs dt a ds
Phương trình điện áp rotor trên trục q và d
v  R i  ddr
 (  ) 2.24
dr r dr dt a qr
v  R i  dqr
 ( ) 2.25
qr r qr dt a dr
Phương trình từ thông stator và rotor trên trục d-q:
ds  Lsids  Lmidr
qs  Lsiqs  Lmiqr
dr  Lridr  Lmids
qr  Lsiqr Lmiqs
2.26
2.27
2.28
2.29
Trong đó:
Ls  Laa  Lab  Ls  Lm
Lr  LAA  LAB  Lr  Lm
Lm  3
LaA
2.30

27
2
Phương trình mô men điện:
Te
 3
Pds
ids
qs
iqs 


2.31

28
dq d q 
dq
3
3
Rõ ràng các hệ phương trình rất thuật lợi, các yếu tố thay đổi theo thời gian
vẫn có nhưng chúng có thể tách ra được
2.3.4 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh và hệ trục tọa độ quay
Một vectơ trong hệ quy chiếu tĩnh αβ chuyển sang hệ quy chiếu quay đồng bộ
định hướng bởi góc θd = ωd.t + φ, với ωd là vận tốc góc, t là thời gian và φ là góc
ban đầu, phương trình được đưa ra:
v  v  jv  v ej
2.32
Chuyển sang mô tả dưới dạng ma trận:
vd 

 cos

sin  v 


2.33
v  sin  cos v 

 q      

Trường hợp chuyển ngược lại từ dq sang αβ ta sử dụng công thức:
v  v ej
 2.34
Chuyển sang mô tả dưới dạng ma trận:
v 

cos sin  vd 


2.35
v
 sin  cos  vq
     

2.3.5 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ quay abc và hệ trục tọa độ quay d-q
Công thức chuyển từ hệ trục tọa độ abc sang hệ trục tọa độ dq:
vds  2
va cos vbcos( 2 / 3)  vccos( 2/ 3)
vqs   2
va cos   vbcos(  2 / 3)  vccos(  2 / 3)


2.36
2.37
va  vdscos vqs sin  3.33
vb  vdscos  2 / 3 vqs sin(  2 / 3) 2.38

29
3
vc  vdscos  2 / 3 vqs sin(  2 / 3) 2.39
vqs  2
va cos  vbcos(  2 / 3)  vccos(  2 / 3) 2.40

30
Công thức chuyển từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ abc:
va  vdscos vqs sin 2.41
vb  vdscos  2 / 3 vqs sin(  2 / 3) 2.42
vc  vdscos  2 / 3 vqs sin( 2/ 3) 2.43
2.4 Điều khiển động cơ BLDC
Phương pháp điều khiển truyền thống động cơ BLDC là đóng ngắt các khóa mạch
lực (IGBT hoặc MOSFET) để cấp dòng điện vào cuộn dây Stator dựa theo tín hiệu
Hall sensor đưa về. Sơ đồ nguyên lý mạch lực điều khiển động cơ như sau.
Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý mạch lực [8]

31
Hình 2.22 Nguyên tắc điều khiển truyền thống động cơ BLDC
Chế độ điều khiển này gọi là chế độ điều khiển 1200
, đây là chế độ điều khiển
cơ bản của động cơ BLDC.
Ta thấy rằng, trong một thời điểm bất kì luôn luôn có hai pha dẫn điện, do đó ta
gọi đây là chế độ điều khiển hai pha dẫn.
Dưới mỗi pha ta thấy có dòng điện một chiều, do đó động cơ BLDC có đặc tính
điều khiển giống như động cơ một chiều thông thường, vì vậy mà động cơ này có tên
gọi là động cơ một chiều không chổi than.
Hình 2.23 Đặc tính mô men và tốc độ của động cơ [5]
2.5 Phƣơng pháp Field Oriend Control (FOC)
2.5.1 Cơ sở lý thuyết
Nhược điểm cơ bản của chuyển mạch sóng sin là nó cố gắng điều khiển dòng
động cơ mà biến này lại thay đổi theo thời gian, mặt khác, do băng thông giới hạn
của bộ điều khiển P-I nên tốc độ và tần số giảm. Phương pháp FOC giải quyết vấn đề
này bằng cách điều khiển trực tiếp vecto không gian tức thời trong hệ quy chiếu d-q
của rotor. Trong trường hợp lý tưởng, độ lớn và hướng của vecto không giantức
thời là cố định đối với rotor, không phân biệt quay. Bởi vì vecto không gian tức thời
trong hệ quy chiếu d-q là tĩnh, các bộ điều khiển P-I hoạt động trên dc chứ không phải
là tín hiệu hình sin. Các bộ điều khiển này độc lập với các biến điện áp và dòng điện
trên cuộn dây biến thiên theo thời gian, và do đó loại bỏ hạn chế thay

32
đổi của đáp ứng tần số và phase điều khiển trên mô men và tốc độ động cơ. Sử dụng
FOC, chất lượng dòng điều khiển phần lớn ảnh hưởng bởi tốc độ quay của motor.
Hình 2.24 Vector không gian dòng có hướng vuông góc [11]
Trong phương pháp FOC, dòng và điện áp motor được điều khiển trong hệ quy
chiếu d-q của rotor. Điều này có nghĩa là dòng điện motor phải tính toán chuyển đổi
từ hệ quy chiếu tĩnh 3 pha của cuộn dây stator sang hệ trục quay d-q trước khi xử lý
bằng bộ điều khiển P-I. Tương tự, điện áp cấp cho các motor được tính toán chuyển
từ hệ quy chiếu d-q của rotor sang hệ quy chiếu 3 pha của stator trước khi chúng có
thể sự dụng ngõ ra PWM. Những biến đổi đó, yêu cầu khả năng tính toán nhanh của
bộ DSP hoặc bộ vi xử lý hiệu suất cao, đó là trung tâm của điều khiển FOC.
Mặc dù những chuyển đội hệ quy chiếu có thể được thực hiện trong một bước
duy nhất, nhưng tốt nhất chúng được mô tả như một quá trình hai bước. Các dòng
motor đầu tiên được dịch 120 độ từ hệ quy chiếu của các cuộn dây stator sang hệ quy
chiếu vuông góc cố định. Sau đó chúng được dịch từ khung cố định của stator sang
khung quay của rotor. Điều này phải được cập nhật đến bộ điều khiển P-I để đảm bảo
kết quả hợp lý. Quá trình này được đảo ngược để chuyển các tín hiệu điện áp bộ điều
khiển P-I từ hệ quy chiếu d-q sang các đầu cuối của các cuộn dây stator.

33
Một khi dòng motor được chuyển vào hệ quy chiếu d-q, điều khiển trở nên đơn
giản. Hai bộ điều khiển P-I được sử dụng là: Một cho thành phần dòng điện trực
tiếp và một cho dòng điện vuông góc. Đầu vào bộ điều khiển cho dòng trực tiếp và
bằng 0. Sự lái này làm cho thành phần dòng điện trực tiếp bằng 0 và do đó lực làm
vecto không gian tức thời hướng vuông góc. Vì chỉ có dòng điện vuông góc mới sản
sinh ra mô men hữu ích, điều này tối đa hóa hiệu quả mô men của hệ thống. Bộ điều
khiển P-I thứ hai hoạt động trên dòng điện vuông góc và giữ mô men yêu cầu như
ngõ vào.
Hình 2.25 Field Oriented control for Brushless Motor [11]
Ngõ ra từ hai bộ điều khiển P-I biểu diễn cho vecto không gian áp đối với rotor.
Phản ánh sự chuyển đổi thực hiện trên dòng motor, những tín hiệu tĩnh được xử lý
bởi một loạt các biến đổi hệ quy chiếu để tạo ra tín hiệu điều khiển áp cho ngõ ra cầu.
Lần đầu tiên chúng được dịch từ hệ quy chiếu d-q của rotor sang hệ quy chiếu cố định
x-y của stator. Các tín hiệu điện áp sau đó được chuyển từ hệ quy chiếu vuông góc
đến hệ quy chiếu vật lý 120 độ của các cuộn dây U, V, W của động cơ. Kết quả này
làm ba tín hiệu điện áp thích hợp cho điều khiển modul ngõ ra PWM.
Nó là hệ quy chiếu biến đổi, chuyển đổi giữa biến theo thời gian hình sin các tín
hiệu điện áp và dòng điện tại các cuộn dây motor thành tín hiệu dc trong không gian
d-q.
Sự khác biệt quan trọng giữa chuyển mạch sóng sin và FOC là trình tự của quá

34
trình điều khiển dòng và chuyển mạch. Trong chuyển mạch sóng sin, chuyển mạch
được thực hiện đầu tiên và tiếp theo là điều khiển P-I tạo ra kết quả các tín hiệu lệnh
dòng sóng sin. Bộ điều khiển P-I trong hệ thống sóng sin tiếp xúc với điện áp và dòng
điện biến thiên theo thời gian, và motor hiệu suất cao là bị giới hạn bởi băng thông
và chuyển pha của bộ điều khiển. Trong FOC, P-I điều khiển dòng được thực hiện
đầu tiên và sau đó là quá trình chuyển mạch nhanh. Bộ điều khiển P-I được cách ly
từ các điện áp và dòng điện biến thiên theo thời gian, và hệ thống khônggiới hạn
băng thông và chuyển pha bởi vòng lặp điều khiển P-I.
Vì vậy: Phương pháp FOC giúp việc điều khiển động cơ mềm mại ở tốc độ thấp
cũng như hiệu quả hoạt động ở các tốc độ cao. Phương pháp điều khiển hình sin giúp
việc điều khiển động cơ mềm mại ở tốc độ thấp, nhưng không hiệu quả ở tốcđộ
cao. Phương pháp điều khiển hình thang có thể là tương đối hiệu quả ở các tốcđộ
cao, nhưng gây ra gợn sóng mô men ở các tốc độ thấp. phương pháp FOC cung cấp
tốt nhất cho việc điều khiển.
2.5.2 Sơ đồ khối
Sơ đồ khối sau đây mô tả nguyên tắc của phương pháp FOC. Dựa trên:
- Một lệnh vector dành cho động cơ BLDC 3 phase.
- Lấy mẫu dòng điện định kỳ trên 3 phase.
- Có 2 vòng lặp kín: Vị trí và tốc độ
Hình 2.26 Sơ đồ khối của phương pháp FOC [12]
2.5.3. Phương trình sử dụng trong việc điều khiển
Từ định luật Lenz-Faraday chúng ta có

35
dt
   
 
Với
Vabc  RIabc  d
abc  2.44
va  Ia  a 
Vabc  vb

 Iabc   Ib

abc  b
 2.45
vc 
Ic

 
c


Trong đó: R là điện trở stator, [va, vb, vc] là các điện áp stator, [ia, ib, ic] là các
dòng điện stator, [∅a, ∅a, ∅a] là các từ trường trong sator.
abc  LIabc sf 
Chúng ta có thể viết:
2.46
Ls M M ia   sf cos() 
abc  M Ls M i    cos( 2 / 3)


2.47
     
M M Ls 
 
ic 
 
sf cos( 2 / 3)

Trong đó: Ls: là điện cảm trong stator
M là điện cảm tương hỗ giữa hai stator
θ: Vị trí điện của rotor.
Φsf: Giá trị cực đại của từ thông được tạo ra bởi nam châm vĩnh cữu
va  ia  Ls M M ia   sf cos() 
v   R i   d M L M i   d  cos(2/ 3) 2.48
 b   b  dt  s  b  dt  sf 
vc 

 
ic

 
M M Ls 
 
ic 

 
sf cos( 2/ 3)

Để đơn giản hóa trong việc tính toán ma trận trên, ta có thể dùng các phép biến
đổi Park và Clarke:
Biến đổi Park được xác định từ ma trận P1(θ), xác định mối quan hệ giữa các
vector thực [Vabc], [Iabc], [Φabc] và các vector mới [Vodq], [Iodq], [Φodq]
 1
cos() sin() 
b sf

36
 2

P1()   1
cos(  2 / 3) sin(  2 / 3) 2.49
 2


1
cos(  2 / 3) sin(  2 / 3)
 2 

37



Hình 2.27 Biến đổi Park [12]
Với V0 = 0V, I0 =0A và Φ0 =0Wb
Hình 2.28 Sơ đồ biến đổi từ 3D sang 2D [12]
2.6 Thuật toán điều khiển động cơ BLDC
2.6.1 Thuật toán điều khiển PID
Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID - Proportional Integral Derivative) tổng quát
được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt phổ biến
nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển thực hiện giảm sai số bằng cách
điều chỉnh giá trị đầu vào. Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình,
bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất.[13]
. Tuy nhiên để đạt được kết quả tốt
nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ
thống, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.
Hình 2.29 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PID [14]

38
Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi
khi còn được gọi là điều khiển ba khâu bao gồm: P- Proportional, I – Integral, D –
Derivative
Về lý thuyết, một bộ điều khiển có thể được sử dụng để điều khiển bất kỳ một
quá trình nào đó mà có một đầu ra đo được (PV), một giá trị lý tưởng biết trước cho
đầu ra (SP) và một đầu vào chu trình (MV) sẽ tác động vào PV thích hợp.
Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba
khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV). Ta có:
MV(t) = Pout + Iout + Dout 2.50
Trong đó:
Pout, Iout, Dout Là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID
2.6.1.1. Khâu tỉ lệ
Khâu tỉ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ
lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai sô đó với một hằng số Kp, được gọi là
độ lợi tỉ lệ.
Khâu tỉ lệ được cho bởi: Pout = Kpe(t)
Trong đó:
Pout : Thừa số tỉ lệ của đầu ra
Kp : Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh
e : Sai số = SP – PV
t : Thời gian tức thời
Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu
độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định. Ngược lại, độ lợi nhỏ là do
đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém
nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển
có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống. Đồ thị sau sẽ cho ta thấy rõ
hơn vấn đề này:

39
Hình 2.30 Đồ thị theo thời gian của ba giá trị Kp ( KI và Kd là hằng số)
2.6.1.2. Khâu tích phân
Phân phối của khâu tích phân tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian
xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian cho ta tích lũy bù đã đượchiệu
chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín
hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác
động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân Ki.
Thừa số tích phân được cho bởi:
t
Iout  Ki e()d
0
2.51
Trong đó:
Iout: Thừa số tích phân của đầu ra
Ki: Độ lợi tích phân, thông số điều chỉnh
E: Sai số = SP – PV
t: Thời gian tức thời
τ: Biến tích phân trung gian
Khâu tích phân ( khi them khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới

40
dt
điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển.
Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể
khiến giá trị hiện tại vọt lỗ qua giá trị đặt (Ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch
với các hướng khác).
Hình 2.31 Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd là
không đổi)
2.6.1.3 Khâu vi phân
Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc
của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này
với độ lợi tỉ lệ Kd. Biên độ của phân phối khâu vi phân trên tất cả các hành vi điều
khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân Kd.
Thừa số vi phân được cho bởi:
Dout  Kd
d
e(t) 2.52
Trong đó:
Dout: Thừa số vi phân của đầu ra
Kd: Độ lợi vi phân, thông số điều chỉnh
e: Sai số = SP – PV

41
t: Thời gian tức thời
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này
là đáng chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi phân
được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích ohaan và
tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của một
tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai
số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ
lớn. Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với bang thông giới hạn thường được sử dụng
hơn, chẳng hạn như mạch bù sớm pha.
2.6.1.4. Nhận xét [15]
Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ
điều khiển PID. Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, thì biểu thức cuối
cùng của thuật toán PID là:
dwr
 1
(T T  Bw )
dt j
Trong đó, các thông số điều chỉnh là:
- Độ lợi tỉ lệ: Kp
e m r
Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh, do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng
lớn. Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động.
- Độ lợi tích phân: Ki
Giá trình càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt
lố càng lớn, bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải
được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định.
- Độ lợi vi phân: Kd
Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và
có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phạm vi sai số.
Ảnh hưởng của việc tăng một thông số độc lập của bộ điều khiển PID, có thể
được tóm tắt như bảng sau.

42
Thông
số
Thời gian
khởi động
Quá độ Thời gian xác lập Sai số ổn định Độ ổn định
Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Giảm cấp
Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể Giảm cấp
Kd Giảm ít Giảm ít
Về lý thuyết không
tác động
Cải thiện nếu
Kd nhỏ
Bảng 2.1 Bảng điều chỉnh độc lập các thông số PID
2.6.2 Thuật toán điều khiển Fuzzy logic
2.6.2.1. Các khái niệm cơ bản
Một hệ thống mờ là một tập hợp các quy tắc dưới dạng If ... Then... để tái tạo
hành vi của con người được tích hợp vào cấu trúc điều khiển hệ thống.[1]
Việc thiết kế một hệ thống mờ mang rất nhiều tính chất chủ quan, nó tùy thuộc vào
kinh nghiệm và kiến thức của người thiết kế. Ngày nay, tuy kỹ thuật mờ đã phát triển
vượt bậc nhưng vẫn chưa có một cách thức chính quy và hiệu quả để thiết kế một hệ
thống mờ. Việc thiết kế vẫn phải dựa trên một kỹ thuật rất cổ điển là thử - sai và đòi hỏi
phải đầu tư nhiều thời gian để có thể đi tới một kết quả chấp nhận được.
2.6.2.1.1. Tập mờ
Tập mờ F xác định trên tập kinh điển B là một tập mà mỗi phần tử của nó là một
cặp giá trị (x,μF(x)), với x∈X và μF(x) là một ánh xạ:
μF(x) : B  [0 1]
Trong đó: μF Gọi là hàm thuộc, B gọi là tập nền
2.6.2.1.2. Thuật ngữ trong logic mờ
Hình 2.32 Giản đồ xác định các miền của tập mờ

0 10
-5 5
-10
39
- Miền xác định của tập mờ F, ký hiệu là S là tập con thõa mãn
S = SupμF(x) = { x ∈B| μF(x) > 0}
- Miền tin cậy của tập mờ F, ký hiệu là T là tập con thõa mãn:
T = { x ∈ B | μF(x) = 1 }
- Các dạng hàm thuộc trong logic mờ: Gaussian, PI-shape, S-shape, Z-shape…
2.6.2.1.3. Các phép toán trên tập mờ
Cho X, Y là hai tập mờ trên không gian nền B, có các hàm thuộc tương ứng là
μx, μy, khi đó
- Phép hợp hai tập mờ: X𝖴Y
 Theo luật Max: μX𝖴Y(b) = Max{μx(b), μy(b)}
 Theo lật Sum: μX𝖴Y(b) = Min{1, μx(b) + μy(b)}
 Tổng trực tiếp: μX𝖴Y(b) = μx(b) + μy(b) - μx(b).μy(b)
- Phép giao hai tập mờ: X∩Y
 Theo luật Min: μX∩Y(b) = Min{μx(b), μy(b)}
 Theo luật Lukasiewicz: μX∩Y(b) = Max{0, μx(b) + μy(b) – 1}
 Theo luật Prod: μX∩Y(b) = μx(b).μy(b)
- Phép bù tập mờ: μx(b) = 1 – μx(b)
2.6.2.2. Hệ thống xử lý mờ
2.6.2.2.1. Phương pháp Mamdani
a. Mờ hóa
Nx
Hình 2.33 Sơ đồ khối hệ thống xử lý mờ
Zx
Px
x

40

X Z
 
X
- Biến x là giá trị bình thường (không mờ)
- Nx, Px, Zx Là các giá trị ngôn ngữ
- Phải đảm bảo rằng trong vùng giá trị của x, thành viên tập mờ khác 0, nghĩa
là không có khả năng nào mà tại đó tất cả các thành viên tập mờ bằng không.
Ví dụ: Cho đầu vào x = 2, tính giá trị hàm thành viên của các tập mờ.
Ta có:
N
 (x) 




(x)

(x)
(x)



2.54
 PX 
 0 
 (2)  0,6

0,4

2.55
Như vậy: Mức độ thành viên của Nx là 0%, Px là 40%, Zx là 60%
b. Thiết bị hợp thành
Luật hợp thành là tên gọi chung của mô hình biểu diễn một hay nhiều hàm
thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành.
Các luật hợp thành cơ bản
- Luật Max – Min
- Luật Max – Prod
- Luật Sum – Min
- Luật Sum – Prod
 Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành SISO
- Luật mờ cho hệ SISO có dạng “If A Then B”
- Chia hàm thuộc A(x) thành n điểm xi , i = 1,2,…,n
- Chia hàm thuộc B(y) thành m điểm yj , j = 1,2,…,m
Xây dựng ma trận quan hệ mờ R
R (x1, y1)..................R (x1, ym) 
 (x2, y1) ... ...  (x2, ym)

R=
R R 
... ... ... ... =

 (xn, y1) ... ...  (xn, ym)


X
X

41
 R R 

42

r11 ... ...
r21 ... ...
r1m
r2m
  2.56
 ... ... ... ... 

rn1 .................rnm


 
- Hàm thuộc B‟(y) đầu ra ứng với giá trị đầu vào xk có giá trị
B‟(y) = aT
.R , với aT
= { 0,0,0,…,0,1,0….,0,0 }. Số 1 ứng với vị trí thứ k.
- Trong trường hợp đầu vào là giá trị mờ A‟ thì B‟(y) là :
B‟(y) = { l1,l2,l3,…,lm } với lk=maxmin{ai,rik }.
 Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành cho hệ MISO
- Luật mờ cho hệ MISO có dạng :
“If cd1 = A1 and cd2 = A2 and … Then rs = B”
- Các bước xây dựng luật hợp thành R :
 Rời rạc các hàm thuộc A1(x1), A2(x2), … , An(xn), B(y)
 Xác định độ thoả mãn H cho từng véctơ giá trị rõ đầu vào
x={c1,c2,…,cn} trong đó ci là một trong các điểm mẫu của Ai(xi). Từ đó
suy ra H = Min{ A1(c1), A2(c2), …, An(cn) }
 Lập ma trận R gồm các hàm thuộc giá trị mờ đầu ra cho từng véctơ
giá trị mờ đầu vào: B‟(y) = Min{ H, B(y) } hoặc B‟(y) = H. B(y)
2.6.2.3. Giải mờ
Giải mờ là quá trình xác định giá trị rõ ở đầu ra từ hàm thuộc B‟(y) của tập mờ
B‟. Có 2 phương pháp giải mờ :
a. Phương pháp cực đại
Các bước thực hiện :
- Xác định miền chứa giá trị y‟, y‟ là giá trị mà tại đó B‟(y) đạt Max
G = { yY | B‟(y) = H }
- Xác định y‟ theo một trong ba cách sau :
 Nguyên lý trung bình
 Nguyên lý cận trái
 Nguyên lý cận phải

43
Nguyên lý trung bình: y‟ =
y1  y2
2
Nguyên lý cận trái : chọn y‟ = y1
Nguyên lý cận phải : chọn y‟ = y2
b. Phương pháp trọng tâm
Điểm y‟ được xác định là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao bởi
trục hoành và đường B‟(y).
Công thức xác định :
 y(y)dy
y' S
(y)dy
S
Trong đó S là miền xác định của tập mờ B‟
- Phương pháp trọng tâm cho luật Sum-Min
2.57
Giả sử có m luật suy diễn được triển khai, ký hiệu các giá trị mờ đầu ra của
luật điều khiển thứ k là B‟k(y) thì với quy tắc Sum-Min hàm thuộc sẽ là
B' (y) B'k (y)
k1
và y‟ được xác định :

G
H
y
y1 y2
m

44
Xét riêng cho trường hợp các hàm thuộc dạng hình thang như hình trên:

y
m

 m m
  B'k (y)dy  yB'k ( y)dy Mk
y‟ = S  k1   k1
 k1 2.58
m
 (y)dy
m
  m
A
 B'k  B' y (y)dy  k
S k1
k1  S  k1
Trong đó Mi =  yB 'k ( y)dy và Ai =
S
 B 'k ( y)dy
S
i=1,2,…,m
M =
H
(3m2
 3m2
 b2
 a2
 3m b  3m a) 2.59
6
2 1 2 1
Ak =
H
(2m2 – 2m1 + a + b)
2
Chú ý hai công thức trên có thể áp dụng cả cho luật Max-Min
- Phương pháp độ cao
Từ công thức 2.59, nếu các hàm thuộc có dạng Singleton thì ta được:
yk Hk
y‟ = k1
Hk k1
M1 M2
m
k
m

45
2.60
với Hk = B‟k(yk)
Đây là công thức giải mờ theo phương pháp độ cao.
2.6.2.2.2. Phương pháp Tagaki – Sugeno

46
k
l
Ưu điểm của phương pháp Mamdani là đơn giản, dễ thực hiện nhưng khả năng
mô tả hệ thống không tốt. Trong kỹ thuật điều khiển người ta thường sử dụng mô
hình mờ Tagaki-Sugeno (TS).
Tagaki - Sugeno đưa ra mô hình mờ sử dụng cả không gian trạng thái mờ lẫn mô
tả linh hoạt hệ thng. Theo Tagaki/Sugeno thì một vùng mờ LXk
được mô tảbởi
luật :
Rsk : If x = LXk
Then x  A(xk
)x  B(xk
)u 2.61
Luật này có nghĩa là: nếu vector trạng thái x nằm trong vùng LXk
thì hệ
thống được mô tả bởi phương trình vi phân cục bộ x  A(xk
)x  B(xk
)u . Nếu toàn
bộ các luật của hệ thống được xây dựng thì có thể mô tả toàn bộ trạng thái của hệ
trong toàn cục. Trong (3.31) ma trận A(xk
) và B(xk
) là những ma trận hằng của
hệ thống ở trọng tâm của miền LXk
được xác định từ các chương trình nhận dạng.
Từ đó rút ra được :
x  wk (A(xk
)x  B(xk
)u) 2.62
Với wk(x)  [0 , 1] là độ thoả mãn đã chuẩn hoá của x* đối với vùng mờ LXk
Luật điều khiển tương ứng với (3.30) sẽ là :
Rck: If x = LXk
Then u = K(xk
)x
Và luật điều khiển cho toàn bộ không gian trạng thái có dạng:
N
u  w K(xk
)x 2.63
k1
Từ (2.62) và (2.63) ta có phương trình động học cho hệ kín:
x  wk
(x) w (x)(A(xk
)  B(xk
)K (xl
))x 2.64

47
dt
K
I
K
D
K
2.6.3 Điều khiển PID mờ
2.6.3.1. Sơ đồ khối tổng quát bộ PID mờ
Hình 2.34 Sơ đồ khối PID mờ
Trong đó:
t
eI   edt

eD
 de
2.6.3.2. Mô hình toán bộ PID mờ
1 t de(t)
2.65
2.66
u(t)  KP[e(t) 
I
e()d TD
0
] 2.67
dt
G (s) K 
KI  K s 2.68
PID P
T 
KP
I
s D
T 
KD
P
 
TI
TD
2
KI  P
KD
Các tham số KP, KI, KD được chỉnh định theo từng bộ điều khiển mờ riêng biệt
dựa trên sai lệch e(t) và đạo hàm de(t). Có nhiều phương pháp khác nhau để chỉnh
định bộ PID như là dựa trên phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, chỉnh định
theo Zhao, Tomizuka và Isaka … Nguyên tắc chung là bắt đầu với các trị KP, KI, KD
T

48
theo Zeigler-Nichols, sau đó dựa vào đáp ứng và thay đổi dần để tìm ra hướng chỉnh
định thích hợp.

CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƢƠNG PHÁP FOC
49
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG
PHƢƠNG PHÁP FOC
3.1 Điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng thuật toán PID
Bảng 3.2 Bảng thông số động cơ dùng để mô phỏng

50
3.1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ BLDC
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng thuật toán PID
Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ trên Matlab/simulink

51
3.1.2. Bộ biến đổi dùng FET
Hình 3.3 Sơ đồ xuất kích áp pha
Theo sơ đồ nguyên lý mạch lực (hình 2.22), mô hình toán động cơ có thể viết
như sau:
va  Rs 0 0  ia  Ls  M 0 0  ia  ea 
v    0 R 0  i    0 L  M 0  d i   e  3.1
 b   s   b   s  dx  b   b 

vc 
 
 0 0 Rs 
 
ic 
 
 0 0 Ls  M 

 
ic

 
ec



Trong đó:
va ,vb ,vc : Điện áp pha
ia ,ib ,ic : Dòng điện pha
ea ,eb ,ec : Điện áp phản hồi EMF
M: Điện trở hỗ cảm
Rs : Điện trở cuộn dây động cơ
Ls : Điện cảm cuộn dây động cơ
m : Là tốc độ quay của động cơ

52
Biểu thức moment điện từ:
Me 
ea *ia  eb *ib  ec *ic
m
3.2
Phương trình cân bằng truyền động điện:
M  M  J
dwm
 Bw 3.3
e L
dt m
Trong đó:
ML: Moment tải
J: Moment quán tính
B: Hệ số giảm chấn
3.1.3. Kỹ thuật điều chế SVM
 Điện áp ra của bộ nghịch lưu ba pha như sơ đồ sau:
Hình 3.4 Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha

53
Khi một transistor ở nhóm trên dẫn - on thì transistor ở nhóm dưới phải khóa
– off, do đó có 8 khả năng kết hợp on – off.
Vector điện áp
Vector chuyển
mạch
Điện áp pha Điện áp dây
a b c Van Vbn Vcn Vab Vbc Vca
V0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
V1 1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1
V2 1 1 0 1/3 1/3 -1/3 0 1 -1
V3 0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 -1 1 0
V4 0 1 1 -2/3 1/3 1/3 -1 0 1
V5 0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 0 -1 1
V6 1 0 1 1/3 -2/3 1/3 1 -1 0
V7 1 1 1 0 0 0 0 0 0
Bảng 3.3 Kết hợp on-off của các transistor
 Nguyên lý của phương pháp điều chế SVM
- Chuyển đổi từ hệ trục abc sang hệ trục tọa độ αβ, xem điện áp hình sin như
một vector có biên độ không đổi và quay với tốc độ (tần số) không đổi.
- Kỹ thuật PWM thực hiện xấp xỉ điện áp đặt Vref bằng sự kết hợp của 8 vector
chuyển mạch ( từ V0 đến V7), trong đó gồm 6 vector tích cực và 2 vector zero.
- Các vector từ V1 đến V6 chia mặt phẳng thành 6 phần – sector (mỗi sector là
600
).
- Vref được tạo ra bằng cách kết hợp hai vector tích cực và hai vector zero
 Các vector chuyển mạch cơ sở và các góc sector

54
Hình 3.5 Các vector điện áp và các sector
3.1.4. Các khâu trong sơ đồ hệ thống
 Khâu PI
Hình 3.6 Sơ đồ khối điều khiển PI tốc độ động cơ BLDC
 Ma trận chuyển đổi Clark và Park

55
Hình 3.7 Sơ đồ khối ma trận chuyển đổi Clark và Park
3.1.5. Kết quả mô phỏng
 Đặt Torque bằng 1N.m sau 1s
 Vận tốc lần lượt là 5 vòng/s, 10 vòng/s, 15 vòng/s
 Kết quả Dòng điện 3 phase, Torque và Vận tốc như sau.
Hình 3.8 Giản đồ dòng điện 3 phase, Torque, tốc độ ở tốc độ đặt là 5 vòng/s

56
 Nhận xét:
- Hình 3.8: Ở giản đồ thứ 3 là tốc độ động cơ khi nó chạy, rõ ràng ta thấy tốc
độ đặt và tốc độ đạt được được bảo hòa, nghĩa là tiến về gần 0, có sai số rất nhỏ. Giản
đồ ở giữa chính là mô men đạt được, khi thay đổi tốc độ thì rõ ràng mô men

57
tăng lên rất nhiều, ở đây mô men lên đến ngưỡng 4N.m. Và sau đó khi đạt tốc độ ổn
định thì chính vì thuật toán của mình điều khiển trở lại mô men đạt giá trị mình đã
đặt là 1N.m. Giản đồ trên cùng là giản đồ dòng 3 pha khi chuyển động, khi chuyển
động ổn định thì giản đồ dòng điện 3 pha hình sin lệch nhau 1200
, nhưng khi tốc độ
thay đổi thì các vector phải cộng lại để đạt được điều kiện mình đặt thì nó không phải
là dòng điện 3 pha hình sin lệch nhau 1200
đẹp như vậy nữa, mà nó phải cộngra một
cái số mà mình đã đặt thì xung nó cũng sẽ khác.
- Từ các hình 3.8, 3.9, 3.10 ta thấy được thời gian đáp ứng, khi vận tốc càng
lớn thì thời gian đáp ứng phải tăng lên, đồng thời trong quá trình thay đổi vận tốcthì
vận tốc càng lớn, mô men sẽ càng lớn. Khi cùng 1 mô men = 1N.m, mà vận tốc quay
khác nhau giữa 5 vòng/s, 10 vòng/s hoặc 15 vòng/s thì tín hiệu hình sin ở ngõ ra có
một khác biệt nhất định cụ thể là: tín hiệu hình sin của 3.10 sẽ lớn hơn tín hiệuhình
sin 3.9, 3.8. Đồng thời tần số ngõ ra của 3 hình cũng khác nhau, ở tốc độ cao hơn tần
số nhanh hơn.
3.2 Điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán PID
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động cơ BLDC
Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán PID

58
Hình 3.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí bằng thuật toán PID trên
Matlab/simulink
3.2.2. Kết quả mô phỏng
Hình 3.13 Giản đồ vị trí ở chế độ đặt là 5 vòng

59

60
 Nhận xét:
- Hình 3.13: khi đặt giá trị vị trí là 5 vòng: sau thời gian 1s nhảy lên 5.
Khi ta đặt như vậy thì giá trị tốc độ qua khâu PID nó tạo ra 1 số vượt ngưỡng,
khi vượt qua giá trị 30 thì xác lập ở đây, thêm khâu bảo hòa để tránhhiện tượng
vượt giá trị thực tế, khi đạt được vị trí nhất định, tốc độ giảm từ từđể cho ra sai
số không quá cao, khi gần tới vị trí 5 khi đó tốc độ giảm xuống và tiến về 0,
thậm chí vọt lố qua quá trị âm để quay về vị trí mong muốn.
- Hình 3.13, 3.14, 3.15: Rõ ràng ta thấy rằng càng gia tăng vị trí thì thời
gian đáp ứng càng lâu, đồng thời vận tốc càng tăng lên, tuy nhiên do có khâu
bảo hòa nên giá trị vận tốc đạt đến 30 vòng/s thì xác lập tại đó. Khi đạt được
giá trị đặt như mong muốn thì tốc độ xác lập về 0.
3.3 Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán Fuzzy logic
3.3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển vị trí
Hình 3.16 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí bằng thuật toán Fuzzy logic

61
Hình 3.17 Sơ đồ bộ điều khiển vị trí bằng thuật toán Fuzzy trên Matlab/simulink
Hình 3.18 Sơ đồ khối bộ Fuzzy Logic
3.3.2 Các bước thực hiện mô phỏng
Bước 1: Từ cửa sổ Matlab, nhập vào fuzzy, cửa sổ hiện ra như sau

62
Bước 2: Tạo luật fuzzy
Bước 3: Hiệu chỉnh ngõ vào- ra

63
Bước 4: Đặt tên file là FOC_FUZZY
Bước 5: Xuất tín hiệu ra workspace

64
3.3.3 Kết quả mô phỏng

65
3.4 Đánh giá kết quả
3.4.1 Điều khiển tốc độ
- Để đạt các vận tốc cao hơn, thì rõ ràng thời gian xung vượt ngưỡng của
torque càng nhiều, khi giá trị vận tốc xác lập với giá trị đặt thì torque về lại ban đầu.
- Khi tăng tốc lên thì torque cũng tăng theo và thay đổi tới khi tốc độ ổn định
xác lập.
3.4.2 Điều khiển vị trí
- Càng gia tăng vị trí thì thời gian xác lập càng tăng (0.5s, 1.7s, 2s)
- Tại khoảng thời gian ban đầu, mô phỏng xuất hiện tín hiệu vượt ngưỡng bảo
hòa (V=30), giúp nhanh tới vị trí xác lập (0.1s, 1.5s, 1.75s).
- Delta sai số <3%, chứng tỏ thuật toán chạy tốt.

66
Hình 3.22 Giản đồ sai số vị trí
Hình 3.23 Giá trị sai số vị trí sau thời gian xác lập
3.4.3 So sánh FOC_PID và FOC_FUZZY
- Ưu điểm cơ bản của Fuzzy là không cần biết trước đặc tính của đối tượng
một cách chính xác, khác với PID là hoàn toàn dựa vào thông tin chính xác tuyệt đối
mà trong nhiều ứng dụng là không cần thiết hoặc không thể có được.
- Fuzzy khó tiến tới vị trí xác lập hơn PID, tạo độ vột lố lớn hơn.
- Tuy nhiên Fuzzy là dựa vào kinh nghiệm nên khi dùng Fuzzy, tốc độ nhanh
tới vị tri xác lập hơn. Vì vậy cần kết hợp Fuzzy và PID để bổ sung kết quả cho nhau.

67
3.5 Điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán FUZZY- PID
3.5.1 Sơ đồ hệ thống
Hình 3.25 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí bằng Fuzzy-PID
Hình 3.24 Sơ đồ hệ thống dùng thuật toán FUZZY-PID trên matlab/simulink

68
3.5.2 Kết quả mô phỏng

69
 Nhận xét: Ở hình 3.25, 3.26, 3.27 ta thấy rằng vị trí tiến tới được vị trí đặt,
đồng thời thời gian đáp ứng cũng nhanh (0.7s, 1s, 1.5s). Khi động cơ quay tới vị trí
đặt lúc này vận tốc cũng bằng 0, và giá trị vận tốc vượt ngưỡng cũng không nhiều.

CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
70
CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
4.1 KẾT LUẬN
- Người thực hiện đề tài đã tìm hiểu được về động cơ BLDC, biết được cấu
tạo, nguyên lý hoạt động cũng như những ưu và nhược điểm của loại động cơ này
và đồng thời cũng đã xây dựng được mô hình điều khiển.
- Ứng dụng được phương pháp FOC để điều khiển được động cơ BLDC
xây dựng dựa trên nền mô phỏng Simulink của Matlab
- Mô phỏng được việc điều khiển tốc độ, vị trí động cơ dựa trên các thuật
toán PID, FUZZY, kết hợp với phương pháp FOC từ đó rút ra được những ưu và
nhược điểm của hai thuật toán trên, tác giả kết hợp cả PID-FUZZY để điều khiển tối
ưu vị trí của động cơ.
- Việc mô phỏng thành công, giúp tác giả hiểu rõ hơn về hoạt động của thuật
toán, cũng như các bước cần thiết để sau này nhúng vào phần cứng cho việc nghiên
cứu thực tế.
- So với các tài liệu được tham khảo nghiên cứu từ trong nước[18] và ngoài
nước[17]thì phương pháp của tôi có kết quả tương tự. Phương pháp FOC giúp việc
điều khiển động cơ mềm mại ở tốc độ thấp cũng như hiệu quả hoạt động ở các tốc độ
cao. Phương pháp điều khiển hình sin giúp việc điều khiển động cơ mềm mại ở tốc
độ thấp, nhưng không hiệu quả ở tốc độ cao. Phương pháp điều khiển hình thang có
thể là tương đối hiệu quả ở các tốc độ cao, nhưng gây ra gợn sóng mô men ở các tốc
độ thấp. phương pháp FOC cung cấp tốt nhất cho việc điều khiển. Ưu điểm của điều
khiển FOC là chính xác hơn so với hình thang, hình sin, Six-Step, V/f, vì có hồi tiếp
dòng điện để điều khiển chính xác. Việc kết hợp FOC với các thuật toán PID,
FUZZY giúp cho việc điều khiển vòng kín chính xác hơn. Tuynhiên nhược điểm
của của phương pháp là thuật toán phức tạp, xử lý nhiều ma trận, đòi hỏi vi xử lý tốc
độ cao
4.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Trong tương lại, việc nghiên cứu thành công thuật toán FOC-PID, FUZZY
tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu FOC với bộ nhận dạng thích nghi, để tự động nhận dạng
thông số điều khiển động cơ, bằng cách này người điều khiển không cần quan tâm
thông số cài đặt PID, FUZZY nữa, giúp việc điều khiển trở nên linh động hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
71
[1] NUU EE “Control Systems Design”, công bố ngày 31/01/2007
[2] Yaskawa “ AC Servo Drives ∑ - V Series Product Catalog”, 04/2007
[3] Mikro Kontrol http://kiemtailieu.com/ky-thuat-cong-nghe/tai-lieu/tai-lieu-ve-
dong-co-servo/2.html
[4] Jianwen Shao “Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless
DC”, 09/2-003
[5] Padmaraja Yedamale - Microchip Technology Inc AN885 “Brushless DC
(BLDC) Motor Fundamentals”, 2003
[6] Jianwen Shao “Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless
DC”, 09/2-003
[7] Freescale AN4776, Xianhu Gao “BLDC Motor Control with Hall Sensors Based
on FRDM-KE02Z”, 07/2013
[8] Sensors, José Carlos Gamazo-Real , Ernesto Vázquez-Sánchez and Jaime
Gómez-Gil “Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using
Sensorless Techniques and Application Trends”, 10/2010
[9] Texas Instruments, Bilal Akin And Manish Bhardwaj “Sensorless Field Oriented
Control of Multiple Permanent Magnet Motors ”, 06/2010
[10] Chapter 3 “Chapter 3: Induction Motor and Voltage Source Inverter
Modelling”
[11] Copley Controls Corp “What is „Field Oriented Control‟ and what good is it?”
[12] Atmel “AVR32723: Sensor Field Oriented Control for Brushless DC motors
with T32UC3B0256”, 06/2009
[13] Bennett, Stuart (1993). “A history of control engineering, 1930-1955”
[14] A brief building automation history, truy cập 20 tháng 07 năm 2015
[15] Jinghua Zhong, “Controller Tuning: A Short Tutorial”, 2006
[16] Nguyễn Phùng Quang “Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha”,
xuất bản năm 1996.

72
[17] Yong Liu, Student Member, IEEE “Direct Torque Control of BLDC Drives
With Reduced Torque Ripple”
[18] Th.S Mai Xuân Minh, Trường Cao đẳng nghề CNHP “Mô phỏng động cơ một
chiều không chổi than” Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải số ra ngày 14-
06/2008.
[19] Nguyễn Tấn Đức “Điều khiển vận tốc động cơ DC không chổi quét (BLDC)”,
luận văn thạc sỹ.
[20] Huỳnh Thanh Tuấn “Mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ BLDC”, luận văn
thạc sỹ.

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC

Similar to ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC (20)

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (19)

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC