Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng phương pháp tuyến tính hóa vào ra

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
43 
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 
DÙNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HÓA VÀO RA 
CONTROL OF THREE-PHASE INDUCTION MOTOR 
USING INPUT-OUTPUT LINEARIZATION METHOD 
Huỳnh Thanh Tường 1, Bùi Thanh Hiếu 2 , Dương Hoài Nghĩa 3 
1,2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long 
3 Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM 
Ngày tòa soạn nhận bài 20/9/2016, ngày phản biện đánh giá 30/9/2016, ngày chấp nhận đăng 20/10/2016 
TÓM TẮT 
Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì các ưu 
điểm như cấu tạo đơn giản, chắc chắn, vận hành tin cậy, ít bảo trì sửa chữa, giá thành thấp, 
hiệu suất cao Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ không đồng bộ là một vấn đề khó khăn, 
phức tạp vì tính phi tuyến của mô hình động cơ. Bài báo này ứng dụng kỹ thuật điều khiển hồi 
tiếp tuyến tính hóa (Feedback Linearization Control – FLC) và phương pháp điều khiển gán 
cực để thiết kế hệ thống điều khiển từ thông và tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha, trong 
đó từ thông và mô men được ước lượng từ các giá trị dòng điện và điện áp của động cơ. 
Việc nghiên cứu so sánh các thành phần của động cơ (từ thông, tốc độ, moment, dòng 
điện ba pha) của phương pháp đề xuất (FLC) với phương pháp FOC được tiến hành. Việc so 
sánh được thực hiện khi thay đổi tải ở trục động cơ, khả năng bám của tốc độ và độ nhạy khi 
thay đổi điều kiện vận hành. Từ thông và moment được ước lượng từ các giá trị dòng và áp 
của động cơ. Các kết quả mô phỏng sẽ cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất. 
Từ khóa: điều khiển phi tuyến; điều khiển vector; động cơ không đồng bộ; định hướng 
trường; tuyến tính hóa vào ra. 
ABSTRACT 
Three-phase induction motor is the main equipment in AC drives because of the 
advantages such as simple structure, solid, reliable operation, low maintenance repairs, low-
cost, high performance.... However, the control of induction motor is a difficult and 
complicated problem because of its strong nonlinearity. 
This paper applies the feedback linearization control technique (FLC) and the pole 
assigment method to design a speed and flux controller for induction motors. The torque and 
the flux are estimated from measurement of voltages and currents of the motor. 
The comparative study of the motors components (flux, speed, torque, three-phase 
current) of the proposed method (FLC) with FOC method is conducted. The comparison is done 
when changing the load on the motor shaft, tracking capability of speed and a sensitivity to 
changes in operating conditions. Flux and the torque is estimated from the value of the motor 
current and voltage. The simulation results showed the effectiveness of the proposed method. 
Keywords: Nonlinear control; Vector control; Asynchronous motor; Field orientation; Input 
output linearization. 
44 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
I. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Cùng với sự phát triển ngày càng lớn 
mạnh của các ngành công nghiệp, đặc biệt là 
ngành điều khiển tự động, yêu cầu chất lượng 
đối với các loại máy móc ngày càng cao: cơ 
cấu máy móc đòi hỏi phải đạt độ nhanh, 
nhạy, chính xác cao, năng lượng phải được 
sử dụng có hiệu quả. 
Động cơ không đồng bộ chính thức 
được công nhận từ những năm 1970 tuy 
nhiên chúng không được sử dụng rộng rãi 
bởi vì có những khó khăn mà chúng mang 
lại: khó điều khiển và chất lượng thấp. Tuy 
nhiên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của 
công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn công 
suất và các bộ vi xử lý có khả năng xử lý 
mạnh mẽ, những khó khăn đó đã được khắc 
phục. Động cơ không đồng bộ hiện nay được 
xem là công nghệ mới. 
Với những ưu điểm của mình động cơ 
không đồng bộ đang được xem là một trong 
những giải pháp cho những vấn đề đã nêu ở 
trên. Một số ưu điểm nổi bật của động cơ 
tuyến tính: tốc độ cao, độ chính xác cao, đáp 
ứng nhanh, độ bền cơ học cao. 
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh 
mẽ của lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật 
điều khiển động cơ không đồng bộ cũng thay 
đổi nhanh chóng. Trong lý thuyết điều khiển 
hiện đại, động cơ không đồng bộ ba pha 
được xem là một đối tượng phi tuyến (vì mô 
hình toán học của động cơ không đồng bộ 
được mô tả bằng các phương trình vi phân 
bậc cao). Để điều khiển động cơ một cách 
chính xác, ta phải áp dụng các phương pháp 
điều khiển phi tuyến như: điều khiển hồi tiếp 
tuyến tính hóa (Feedback linearization 
control - FLC), điều khiển trượt (sliding 
mode control - SMC), điều khiển thụ động 
(passive control), điều khiển thích nghi 
(adaptive control) để tác động lên mô hình 
toán học của động cơ. 
Trong luận văn này, phương pháp hồi 
tiếp tuyến tính hóa được sử dụng để tiếp cận 
mô hình toán học của động cơ. Mục đích 
chính của phương pháp này là tiến hành đổi 
biến điều khiển sao cho ngõ ra tuyến tính với 
biến điều khiển mới. 
II. MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG 
ĐỒNG BỘ BA PHA 
Động cơ không đồng bộ được mô tả 
bởi một hệ phương trình vi phân bậc cao. Với 
cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về 
mặt không gian và các mạch từ móc vòng ta 
phải chấp nhận một số các điều kiện sau đây 
khi mô hình hóa động cơ. 
Bỏ qua các tổn hao trong lõi sắt từ, 
không xét tới ảnh hưởng của tần số và thay 
đổi của nhiệt độ đối với điện trở, điện cảm 
tới các cuộn dây. 
Bỏ qua bão hòa mạch từ, tự cảm và hỗ 
cảm của mỗi cuộn dây được coi là tuyến tính. 
Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình 
sin trên bề mặt khe từ. 
2.1. Xây dựng mô hình động cơ không 
đồng bộ ba pha 
Ta thống nhất một số qui ước cho các 
ký hiệu cho các đại lượng và các thông số 
của động cơ. 
Hình 1. Mô hình đơn giản của động cơ 
không đồng bộ ba pha 
Các thông số của động cơ không đồng 
bộ ba pha: 
Rs: điện trở cuộn dây stator 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
45 
Rr: điện trở rotor qui đổi về stator 
Lm: hỗ cảm giữa stator và rotor 
sL  : điện kháng tản cuộn dây stator 
rL  : điện kháng tản cuộn dây rotor qui 
đổi về stator 
p: số đôi cực của động cơ 
J: moment quán tính cơ (kg.m2) 
Các thông số định nghĩa thêm: 
Ls = Lm + sL  điện cảm stator 
Lr = Lm + rL  điện cảm rotor 
s
s
s
R
L
T hằng số thời gian stator 
r
r
r
R
L
T hằng số thời gian rotor 
rs
m
LL
L2
1  hệ số từ tản tổng 
Tsamp chu kỳ lấy mẫu 
Chữ thường: đại lượng tức thời, biến 
thiên theo thời gian. 
Chữ hoa: đại lượng vector, module 
vector, độ lớn. (2.4.27) 
Từ hệ qui chiếu rotor quy về hệ qui 
chiếu stator theo các phương trình: 
js
r
r
r eii
 (1) 
 jsr
r
r e
 (2) 
Từ hai phương trình trên ta có: 
 sr
s
rs
rr j
dt
d
iR 

0 (3) 
Vậy từ các phương trình trên ta có hệ 
phương trình: 
dt
d
iRu
s
s
s
ss
s
s

.. (4a) 
 sr
s
rs
rr j
dt
d
iR 

0 (4b) 
 srm
s
ss
s
s iLiL (4c) 
 srr
s
sm
s
r iLiL (4d) 
)(
2
3
)(
2
3 
 rrsse ipipT  (4e) 
dt
d
p
J
TT Le

 (4f) 
Để xác định dòng điện stator và từ 
thông rotor, từ pt (4c) và pt (4d) có: 
s
sm
s
r
r
s
r iL
L
i 
1
 (5) 
s
sm
s
r
r
ms
ss
s
s iL
L
L
iL  (6) 
Thay (5), (6) vào (4a, b), 
Phương trình (4a, b) trở thành: 
dt
d
L
L
dt
id
LiRu
s
s
r
m
s
s
s
s
ss
s
s

.. (7) 
dt
d
j
T
i
T
L srs
r
r
s
s
r
m


1
0 (8) 
Suy ra 
 sr
r
s
s
r
m
s
r j
T
i
T
L
dt
d

 1
 (9) 
Thay (7) vào (9) 
 ss
s
s
r
rm
s
s
rs
s
s u
L
j
TL
i
TTdt
id







11111 (10) 
 sr
r
s
s
r
m
s
r j
T
i
T
L
dt
d

 1
 (11) 
46 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Chuyển sang dạng các thành phần của 
vector trên hai trục tọa độ: 
  










s
s
r
m
r
mr
s
rs
s u
LLLT
i
TTdt
id 11111
 











s
s
r
m
r
mr
s
rs
s
u
LLLT
i
TTdt
id 11111
 (12) 
 
 

rr
r
s
r
mr
T
i
T
L
dt
d
1
 
 

rr
r
s
r
mr
T
i
T
L
dt
d
1
Thay các thành phần của vector từ 
thông rotor và dòng stator ta được: 
)(
2
3
   srsr
r
m
e ii
L
L
pT (13) 
III. ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ 
THÔNG ROTOR 
3.1. Điều khiển định hướng từ thông rotor 
động cơ không đồng bộ [2], [4], [6] 
Phương pháp điều khiển gián tiếp: 
trong phương pháp điều khiển gián tiếp thì 
góc θ được tính toán dựa trên tốc độ trượt và 
thông tin về tốc độ động cơ. Ta thấy đặc tính 
của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào việc 
xác định chính xác các thông số động cơ. 
Phương pháp này nhìn chung đơn giản hơn 
phương pháp trực tiếp. 
3.2. Kết quả mô phỏng FOC 
3.2.1.Từ thông của động cơ: 
Hình 2. Từ thông của động cơ 
3.2.2. Tốc độ của động cơ 
Hình 3. Tốc độ của động cơ 
3.2.3. Moment của động cơ: 
Hình 4. Moment của động cơ 
3.2.4. Dòng điện ba pha của động cơ: 
Hình 5. Dòng điện ba pha của động cơ 
VI. ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HÓA 
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ [5], 
[7], [8], [9] 
4.1. Áp dụng điều khiển tuyến tính hóa 
Từ  )(
)(
1
)1(
xhL
xhLL
u mfm
fg
 , ta có 
luật điều khiển tuyến tính hóa như sau: 
22
111
22
2
111
).( 
)(
)(
).(





B
B
xD
xhL
xhL
xD
u
u
f
f
s
s
Với: )(11 xhLB f , )(2
2
2 xhLB f 
Ta có: 
1121
12221
)det(
1
)(
AA
AA
D
xD 
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
0.5
1
1.5
Time (s)
F
ir
e
f 
F
i 
(W
e
b
e
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Time (s)
W
re
f 
W
(r
a
d
/s
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Time (s)
M
L
re
f 
M
L
 (
N
m
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Time (s)
Ia
b
c
 (
A
)
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
47 
Với: 
21122211 ..
1
)det(
1
AAAAD 
Vậy ta được: 
).( ).(
).( )( . 
.
..
1
.
.
..
1
22111121
22121122
21122211
22
11
1121
1222
21122211





BABA
BABA
AAAA
B
B
AA
AA
AAAAu
u
s
s
Nhận xét: 0.. 21122211 AAAA các 
tín hiệu điều khiển su , su là các tín hiệu 
thực. 
Đạo hàm ngõ ra thứ nhất: 
Từ biểu thức: 
 sgsgf uxhLuxhLxhL
dt
xdh
).().()(
)(
12111
1 
Với: 
 ).( )( . .
..
1
22121122
21122211
 
 BABA
AAAA
us
 ).( ).( .
..
1
22111121
21122211
 
 BABA
AAAA
us
Thay su , su , )(),(),( 12111 xhLxhLxhL ggf 
vào biểu thức trên, ta được: 
Vậy: 1
1 )(  
dt
xdh
Đạo hàm ngõ ra thứ hai: 
Từ biểu thức, ta có: 
 sfgsfgf uxhLLuxhLLxhL
dt
xdh
).().()( 
)(
22212
22 
Với: 
 ).( )( . .
..
1
22121122
21122211
 
 BABA
AAAA
us
 ).( ).( .
..
1
22111121
21122211
 
 BABA
AAAA
us
Thay su , su , )(),(),( 22212
2 xhLLxhLLxhL fgfgf 
vào biểu thức trên, ta được: 
Vậy: 2
2 )(  
dt
xdh
Cuối cùng ta có: 
2
)2()2(
2
1
)1()1(
1


h
Th
 (14) 
Bộ điều khiển moment (T) và từ thông 
ψ bám theo tín hiệu đặt Tref và ψref, ta có luật 
điều khiển tuyến tính hóa như sau: 
)2()1()1(
212
)1(
1
)()(
)(
refrefbrefb
refrefa
kk
TTTk


 (15) 
Các hệ số k được chọn sao cho phương 
trình đặt trưng có tất cả các nghiệm với phần 
thực âm để các sai số: 
0)(
0)(
ref
refT
e
TTe

 khi t 
Moment đặt (Tref) được tính từ tốc độ 
đặt và tốc độ hồi tiếp thông qua khâu PI 
(khâu tích phân – tỉ lệ) như sau: 
t
refipref dkkT
0
))((.  (16) 
4.2. Kết quả mô phỏng FLC 
4.2.1. Từ thông của động cơ: 
Hình 6. Từ thông của động cơ 
4.2.2. Tốc độ của động cơ: 
Hình 7. Tốc độ của động cơ 
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Time (s)
F
re
f 
(W
e
b
e
)
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
0
50
100
150
Time (s)
W
re
f 
(r
a
d
/s
)
48 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
4.2.3. Moment của động cơ 
Hình 8. Moment của động cơ 
4.2.4. Dòng điện ba pha của động cơ 
Hình 9. Dòng điện ba pha của động cơ 
V. SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
5.1. So sánh từ thông động cơ 
Nhận xét: Từ thông của cả hai phương 
pháp đều đáp ứng nhanh, không vọt lố, không 
có sai số tĩnh ở cả hai chế độ quay của động cơ. 
5.2. So sánh tốc độ động cơ 
Nhận xét: Tốc độ của cả hai phương 
pháp đều đáp ứng nhanh, không vọt lố, không 
có sai số tĩnh ở cả hai chế độ quay của động cơ. 
5.3. So sánh moment động cơ 
Nhận xét: Moment động cơ của 
phương pháp FLC có đáp ứng tốt (bám 
nhanh theo giá trị đặt, biên độ dao động nhỏ 
và ít bị ảnh hưởng bởi tốc độ động cơ) ở cả 
hai chế độ quay của động cơ. 
5.4. So sánh dòng điện các pha động cơ 
Nhận xét: Dòng điện khởi động động 
cơ của phương pháp FLC bằng 2 lần dòng 
xác lập, không bị ảnh hưởng bởi tốc độ động 
cơ và sự thay đổi của tải (định mức). 
VI. KẾT LUẬN 
Qua kết quả mô phỏng trên 
Simulink/Matlab cho thấy phương pháp này 
đạt yêu cầu. Tốc độ và từ thông của động cơ 
đáp ứng nhanh, không vọt lố, không dao 
động. Moment động cơ bám khá sát giá trị 
đặt. Dòng điện khởi động bằng hai lần dòng 
xác lập. Đề tài nghiên cứu thành công góp 
phần kiểm chứng và phát triển phương pháp 
điều khiển tuyến tính hóa vào ra, một phương 
pháp điều khiển linh hoạt, toàn diện trong 
không gian trạng thái vào đối tượng điều 
khiển đang được sử dụng rộng rãi hiện nay là 
ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc. Đây sẽ là cơ 
sở để xây dựng các hệ thống điều khiển có 
chất lượng cao về độ chính xác, ổn định và 
thỏa mãn đối với hệ thống truyền động có 
yêu cầu nghiêm ngặt về mặt động học. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha”, 
NXB Giáo dục, 1996. 
[2] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab & Simulink”, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2008. 
[3] Trần Công Binh, “Hệ thống điều khiển số”, NXB Đại học Bách Khoa TP.HCM, 2007. 
[4] Rachid Beguenane, Mohand A. Ouhrouche, Andrzej M. Trzynadlowski, “Stator 
Resistance Tuning in an Adaptive Direct Field-Orientation Induction Motor Drive at 
Low Speeds”, The 30th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 
November 2 - 6, 2004. 
[5] LiuKou Road, Yangliuqing Town, Xiqing District, Tianjin “Design and Simulation of PMSM 
Feedback Linearzation Contronl System”, e-ISSN: 2087-278X, Vol.11, No.3, March 2013. 
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Time (s)
M
re
f 
(N
m
)
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
-10
-5
0
5
10
15
Time (s)
Iu
v
w
 (
A
)
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
49 
[6] T.S Kwon, M.H. Shin, D.S.Hyun, “Speed Sensorless Flux_Oriented Control of 
Induction Motor in the Field weaking Region Using Luenberger Observer”, IEEE 
Transactions on Industrial Electronics, vol 20, no 4, July 2005. 
[7] Meziane.Salima, Toufouti.Riad, Benalla.Hocine “ Applied Input-Output Linearizing 
Control For Hight-Performance Induction Motor”, 2008 Jatit. 
[8] Alan Mullane, G. Lightbody and R. Yacamini “Comparison Of Cascade and 
Feedback Linearisation Scheme For DC Link Voltage Control in a Grid Connected 
Wind Turbine”, Rev. Energ. Ren. : Power Engineering (2011). 
[9] Kanungo Barada Mohanty, Madhu Singh, “Feedback Linearizing Control of Induction 
Motor Drive by P-I Controlers in RTDS Environment”, Vol. 1, no. 4, December 2013. 
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: 
Huỳnh Thanh Tường 
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long 
Email: tuonght@vlute.edu.vn