Luận án Điều khiển vector phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha trong điều kiện thời gian thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 
Phạm Tâm Thành 
ĐIỀU KHIỂN VECTOR PHI TUYẾN CHO MÁY 
ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA TRONG ĐIỀU KIỆN 
THỜI GIAN THỰC 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 
Hà Nội – 2014 
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 
Phạm Tâm Thành 
ĐIỀU KHIỂN VECTOR PHI TUYẾN CHO MÁY 
ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA TRONG ĐIỀU KIỆN 
THỜI GIAN THỰC 
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa 
Mã số: 62520216 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 
GS. TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG 
Hà Nội - 2014 
LỜI CAM ĐOAN 
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn 
của GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang. Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn 
toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. 
 Tác giả luận án 
 Phạm Tâm Thành 
LỜI CẢM ƠN 
Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy GS.TSKH. Nguyễn 
Phùng Quang. Ngoài những chỉ dẫn về mặt khoa học, sự động viên và lòng tin 
tưởng của thầy dành cho tác giả luôn là động lực lớn giúp tác giả tự tin và say 
mê trong nghiên cứu. Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lòng 
quý mến đối với thầy. 
Tác giả cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn đến Ban lãnh đạo, các thầy, các 
đồng nghiệp trong Trung tâm nghiên cứu triển khai công nghệ cao (Hitech) 
nay là Viện Kỹ thuật Điều khiển&Tự động hóa, Trường Đại học Bách Khoa 
Hà Nội đã tạo một môi trường học tập và nghiên cứu thuận lợi giúp tác giả 
hoàn thành luận án này. Tại đây tác giả đã nhận được nhiều chỉ dẫn, góp ý 
cũng như một môi trường khoa học nghiêm túc và thân thiện, điều không thể 
thiếu trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án của tác giả. 
Tác giả cũng xin được cảm ơn các Thầy, các anh chị, các bạn đồng nghiệp 
công tác tại Bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp, Bộ môn Điều khiển 
tự động, Viện Điện, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, những người đã có những 
góp ý quý báu giúp tác giả hoàn thiện luận án. 
Tác giả xin được cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà 
Nội, Ban lãnh đạo, các chuyên viên của Viện Đào tạo Sau đại học Trường ĐH 
Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện hỗ trợ tác giả trong quá trình nghiên 
cứu, hoàn thiện luận án. 
Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám hiệu trường Đại học 
Hàng Hải Việt Nam, Ban chủ nhiệm Khoa Điện-Điện tử, Ban chủ nhiệm Bộ 
môn, các anh chị đồng nghiệp công tác tại Bộ môn Điện tự động công nghiệp-
Khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện 
thuận lợi trong quá trình tác giả học tập, công tác và hoàn thành luận án. 
Cuối cùng, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bố mẹ, vợ và 
con trai, những người luôn cảm thông và động viên tác giả trong quá trình 
hoàn thành luận án. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn bè, bạn bè 
nguồn động viên to lớn đối với tác giả. 
 Tác giả 
 1
MỤC LỤC 
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.................................................... 4 
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ........................................................................... 6 
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 12 
1 TỔNG QUAN .................................................................................................... 16 
1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................16 
1.2 Tổng quan các phương pháp điều khiển máy điện xoay chiều ba pha
.............................................................................................................17 
1.3 Điều khiển thời gian thực (realtime control, digital control) cho máy 
điện xoay chiều ba pha .........................................................................23 
1.3.1 Bộ điều khiển thời gian thực tuyến tính cho máy điện xoay 
chiều ba pha ..................................................................................23 
1.3.2 Bộ điều khiển thời gian thực phi tuyến cho máy điện xoay 
chiều ba pha ..................................................................................23 
1.4 Tình hình và định hướng nghiên cứu ..............................................24 
1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước..........................................24 
1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài .......................................24 
1.4.3 Định hướng nghiên cứu của luận án......................................25 
2 MÔ HÌNH MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA THÍCH HỢP CHO THIẾT KẾ 
ĐIỀU KHIỂN......................................................................................................... 26 
2.1 Mô hình toán học của máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc .......26 
2.2 Mô hình dòng phi tuyến dạng affine của máy điện không đồng bộ 
rotor lồng sóc .......................................................................................30 
2.3 Mô hình gián đoạn bilinear của máy điện không đồng bộ rotor lồng 
sóc thích hợp với điều khiển thời gian thực...........................................31 
2.3.1 Nghiệm của phương trình vi phân dạng ma trận ...................32 
2.3.2 Nghiệm của phương trình bilinear.........................................32 
2.3.3 Mô hình trạng thái gián đoạn của máy điện không đồng bộ 
rotor lồng sóc sử dụng phương pháp Taylor..................................34 
2.4 Kết luận chương 2 ..........................................................................36 
3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO MÁY ĐIỆN 
XOAY CHIỀU BA PHA ........................................................................................ 37 
3.1 Cấu trúc điều khiển phi tuyến cho máy điện không đồng bộ rotor 
lồng sóc sử dụng phương pháp tuyến tính hóa chính xác......................37 
 2
3.1.1 Khái quát về phương pháp tuyến tính hoá chính xác .............37 
3.1.2 Cấu trúc điều khiển ..............................................................39 
3.2 Cấu trúc điều khiển phi tuyến cho máy điện không đồng bộ rotor 
lồng sóc theo nguyên lý hệ phẳng..........................................................40 
3.2.1 Khái quát về nguyên lý hệ phẳng ...........................................40 
3.2.2 Cấu trúc điều khiển ..............................................................42 
3.3 Cấu trúc điều khiển cho máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc sử 
dụng phương pháp backstepping..........................................................45 
3.3.1 Khái quát về phương pháp backstepping...............................45 
3.3.2 Cấu trúc điều khiển ..............................................................46 
3.4 Kết luận chương 3 ..........................................................................48 
4 ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN THỜI GIAN THỰC CHO MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU 
BA PHA ............................................................................................................... 49 
4.1 Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thiết kế 
theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác .........................................49 
4.2 Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thiết kế 
theo nguyên lý hệ phẳng .......................................................................55 
4.3 Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thiết kế 
theo phương pháp backstepping ...........................................................57 
4.4 Kết luận chương 4 ..........................................................................61 
5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ......................................................... 62 
5.1 Kết quả mô phỏng cho máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc ......62 
5.1.1 Mô phỏng cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp tuyến 
tính hóa chính xác .........................................................................62 
5.1.2 Mô phỏng cấu trúc điều khiển thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng
......................................................................................................79 
5.1.3 Mô phỏng cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp 
backstepping..................................................................................85 
5.1.4. Đánh giá kết quả mô phỏng khi các cấu trúc điều khiển được 
thiết kế theo các phương pháp khác nhau......................................88 
5.2 Kết quả thí nghiệm .........................................................................93 
5.2.1 Cấu trúc thực nghiệm và ưu thế ............................................93 
5.2.2 Kết quả thí nghiệm động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ....95 
5.3 Kết luận chương 5 ........................................................................104 
 3
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................105 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................106 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................113 
PHỤ LỤC ............................................................................................................114 
Phụ lục A: Mô hình của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu...........114 
A1: Mô hình trạng thái của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 
tựa theo từ thông cực ...................................................................114 
A2: Mô hình dòng affine...............................................................115 
A3: Mô hình trạng thái gián đoạn bilinear....................................116 
Phụ lục B: Mô hình của máy điện không đồng bộ nguồn kép..............117 
B1: Mô hình trạng thái của máy điện không đồng bộ nguồn kép tựa 
theo vector điện áp lưới................................................................117 
B2: Mô hình dòng affine...............................................................120 
B3: Mô hình trạng thái gián đoạn bilinear....................................121 
Phụ lục C: Các phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến liên tục cho 
máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ nguồn kép ..122 
C1: Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu ...................................122 
C2: Máy điện không đồng bộ nguồn kép ......................................126 
Phụ lục D: Các cấu trúc điều khiển phi tuyến thời gian thực của máy 
điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ nguồn kép..........131 
D1: Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu ...................................131 
D2: Máy điện không đồng bộ nguồn kép ......................................144 
Phụ lục E: Thông số của các máy điện sử dụng trong quá trình mô 
phỏng và thực nghiệm ........................................................................154 
 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 
,s rw w Tốc độ góc của các vector thuộc mạch điện stator, rotor 
w Tốc độ góc cơ học của rotor 
si Vector dòng stator 
, , ,sd sq s si i i i  Các thành phần của vector dòng stator trên hệ tọa độ dq và 
 β 
ri Vector dòng rotor 
, , ,rd rq r ri i i i  Các thành phần của vector dòng rotor trên hệ tọa độ dq và β 
sY Vector từ thông stator 
,sd sqy y Các thành phần của vector từ thông stator trên hệ tọa độ dq 
rΨ Vector từ thông rotor 
,rd rqy y Các thành phần của vector từ thông stator trên hệ tọa độ dq 
su Vector điện áp stator 
,sd squ u Các thành phần của vector điện áp stator trên hệ tọa độ dq 
A Ma trận hệ thống 
B Ma trận đầu vào 
N Ma trận tương tác phi tuyến 
u Vector biến đầu vào 
x Vector biến trạng thái 
y Vector biến đầu ra 
r Vector bậc tương đối 
( )L x Ma trận tách kênh 
mL Hỗ cảm giữa stator và rotor 
,s rL L Điện cảm stator và rotor 
,s rL L  Điện cảm tản phía stator và rotor 
,s rR R Điện trở stator và rotor 
 Hệ số từ tản toàn phần 
pz Số cặp cực 
,M Wm m Mômen quay của động cơ, mômen tải 
J Mômen quán tính cơ 
KĐB Không đồng bộ 
KĐB-NK Không đồng bộ nguồn kép 
 5
KĐB-RLS Không đồng bộ rotor lồng sóc 
TTHCX Tuyến tính hóa chính xác 
TKTT Tách kênh trực tiếp 
ĐB Đồng bộ 
ĐB-KTVC Đồng bộ kích thích vĩnh cửu 
ĐB-KTĐL Đồng bộ kích thích độc lập 
MĐXCBP Máy điện xoay chiều ba pha 
ĐCVTKG Điều chế vector không gian 
ĐCD Điều chỉnh dòng 
ĐC Điều chỉnh 
TTR Từ thông rotor 
T4R Tựa từ thông rotor 
TTGĐ Trạng thái gián đoạn 
ĐLĐK Đại lượng điều khiển 
ĐK Điều khiển 
QS Quan sát 
DFIM Doubly-Fed Induction Machine 
IM Induction Motor 
PI Proportional–integral controller 
PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor 
PWM Pulse Width Modulation 
FRT Finite respone time 
RTI Real time interface 
RFO Rotor Flux Orientation 
SFO Statator Flux Orientation 
NFO Natural Field Orientation 
GAS Globally asymptotically stable 
MIMO Multi-Input – Multi-Output 
MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Tranzitor 
PC Personal computer 
ISA Integrated Systems Architecture 
DSP Digital Signal Processor 
IGBT Insulated Gate Bipolar Tranzitor 
 6
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ 
 Trang 
Hình 1.1 Các loại máy điện xoay chiều ba pha 16 
Hình 1.2 Các phương pháp điều khiển đối tượng MĐXCBP 17 
Hình 1.3 Hệ thống hóa các phương pháp điều khiển MĐXCBP 18 
Hình 1.4 Các phương pháp điều khiển vector phi tuyến cho 
MĐXCBP 
19 
Hình 2.1 Đặc điểm phi tuyến bilinear của mô hình máy điện KĐB 
trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor 
27 
Hình 2.2 Đặc điểm phi tuyến bilinear của mô hình dòng máy điện 
KĐB-RLS trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor 
29 
Hình 2.3 Các phương án tìm mô hình trạng thái gián đoạn 
31 
Hình 3.1 Cấu trúc của đối tượng phi tuyến sau khi đã TTHCX 
(chuyển tọa độ trạng thái) 
38 
Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 
kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác [62] 
40 
Hình 3.3 Cấu trúc bộ điều khiển truyền thẳng [83] 41 
Hình 3.4 Cấu trúc hệ thống thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng [83] 42 
Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện không đồng bộ 
rotor lồng sóc thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng [19] 
43 
Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 
kế theo nguyên lý hệ phẳng (có bổ sung thêm khâu thiết 
lập quỹ đạo phẳng cho mạch vòng dòng) 
43 
Hình 3.7 Cấu trúc hệ “dạng tam giác dưới” và phương pháp đệ 
quy (backstepping) tìm hàm điều khiển Lyapunov 
46 
Hình 3.8 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 
kế theo phương pháp backstepping [20] 
47 
Hình 3.9 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 
kế theo phương pháp backstepping 
47 
Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 
kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác [62] 
55 
Hình 4.2 Cấu trúc điều khiển máy điện KĐB-RLS thiết kế theo 
nguyên lý hệ phẳng 
57 
 7
Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển máy điện KĐB-RLS thiết kế theo 
phương pháp backstepping 
57 
Hình 5.1 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện 
KĐB-RLS thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa 
chính xác 
62 
Hình 5.2 Tốc độ đặt và tốc độ thực của động cơ 63 
Hình 5.3 Đặc tính dòng ba pha 64 
Hình 5.4  ...  k e e z M k N k u k z M k N k u k
T e e z
w
w
d
d d d
é ù=- + + + + + +ë û
é ù+ + +ê úë û
 (6.125) 
Ta chọn các biến điều khiển: 
( )2 2 21( )sdu k k e M zN= - - - (6.126) 
( )'3 2'1( )squ k k z MN= - - (6.127) 
Kết quả cuối cùng : 
 144
( )
( )
2 2 2
'
3 2'
1( )
1( )
sd
sq
u k k e M z
N
u k k z M
N
ìïï = - - -ïïïíïï = - -ïïïî
 (6.128) 
Từ đó : 
( ) ( ) ( )2 2 22 2 21 2 2 3 2 2 22
TV k e k e k z e e zw wd d d dé ù=- - - + + +ê úë û (6.129) 
( ) ( ) ( ) ( )2 2 22 21 2 2 2 3 2 1 2 2 2 2 3 22
TV e k e z k e k z k e z k e z k zw w wd é ù= - + - - + - + + - - + -ê úë û (6.130) 
Từ đó ta chọn các hệ số 1 2 3, ,k k k hợp lý. 
D2: Máy điện không đồng bộ nguồn kép 
a. Cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính 
xác 
Trong phần Phụ lục A ta đã có mô hình trạng thái gián đoạn của máy điện 
không đồng bộ nguồn kép. Từ mô hình (6.46) ta viết lại: 
( ) { }
( ) { }
' '
2 2 2 2 2
' '
2 2 2 2 2
( 1) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( 1) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( 1) ( ) ( )
rd rd sd sq rd sd rq r
rq rq sd sq rq sq rd r
r r r
i k a T i k T e k b k c u k d u k Ti k k
i k a T i k T b k e k c u k d u k Ti k
k k T k
y wy w
wy y w
J J w
ìï + = - + - + - +ïïïï + = - + + + - -íïïï + = +ïïî
 (6.131) 
Chuyển hệ sang không gian trạng thái mới với các biến đầu vào: 
▪ Vector đầu vào : 
' '
1 2 2 2 2
' '
2 2 2 2 2
3
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
sd sq rd sd
sd sq rq sq
s
u k e k b k c u k d u k
u k b k e k c u k d u k
u k k
y wy
wy y
w
ì = - + -ïïïï = + + -íïïï =ïî
▪ Vector trạng thái : 1 2 3( ) ( ), ( ) ( ), ( ) ( )rd rq rx k i k x k i k x k k 
▪ Vector đầu ra : 1 2 3( ) ( ), ( ) ( ), ( ) ( )rd rq ry k i k y k i k y k k 
Ta được: 
1 2 1 1 2 3
2 2 2 2 1 3
3 3 3
( 1) (1 ) ( ) ( ) ( ) ( )
( 1) (1 ) ( ) ( ) ( ) ( )
( 1) ( ) ( )
x k a T x k Tu k Tx k u k
x k a T x k Tu k Tx k u k
x k x k Tu k
 (6.132) 
 Ta có mô hình phi tuyến (mô hình dòng) của máy điện không đồng bộ 
nguồn kép được biểu diễn theo quan hệ vào – ra MIMO: 
 145
1 2 1 2
2 2 2 1 2 1 3
3 3
1 1
2 2
3 3
( 1) (1 ) ( ) 0 ( )
( 1) (1 ) ( ) 0 . ( ) . ( ) ( ) . ( )
( 1) ( ) 0 0
( ) 1 0 0 ( )
( ) 0 1 0 ( )
( ) 0 0 1 (
x k a T x k T Tx k
x k a T x k u k T u k Tx k u k
x k x k T
y k x k
y k x k
y k x
 )k
 (6.133) 
Hệ được viết lại như sau: 
1 1 2 2 3 3( 1) ( ) ( ). ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( 1) ( )
k u k u k u k
k
x f x H x u f x h x h x h x
y g x
 (6.134) 
Trong đó: 
 1 2 3( ) ( ) ( ) ( )H x h x h x h x 
2 1
2 2
3
(1 ) ( )
( ) (1 ) ( )
( )
a T x k
a T x k
x k
f x
, 1( ) 0
0
T 
h x , 2
0
( )
0
T
h x ,
2
3 1
( )
( ) ( )
Tx k
Tx k
T
h x 
(6.135) 
1
2
3
( )
( ) ( )
( )
x k
x k
x k
g x 
Thực hiện tuyến tính hóa theo các bước sau: 
Bước 1. Xác định véc tơ bậc tương đối tối thiểu 
Đối tượng bậc 3 (n = 3) có 3 tín hiệu vào/ra (m = 3) 
▪ Trường hợp j = 1 
  
1 1
1 0 0 0 0
0
T
L g Th x
 (6.136) 
  
2 1
0
1 0 0 0
0
L g Th x
 (6.137) 
  
3
2
1 1 2
( )
1 0 0 ( ) ( ) 0
Tx k
L g Tx k Tx k
T
h x
 (6.138) 
Do đó r1 = 1 
 146
▪ Trường hợp j =2 
  
1 2
0 1 0 0 0
0
T
L gh x
 (6.139) 
  
2 2 2
0
0 1 0 0
0
L g a T Th x
 (6.140) 
  
3
2
2 1 1
( )
0 1 0 ( ) ( ) 0
Tx k
L g Tx k Tx k
T
h x
 (6.141) 
Vậy r2 = 1 
▪ Trường hợp j =3 
  
1 3
0 0 1 0 0
0
T
L gh x
 (6.142) 
  
2 3
0
0 0 1 0
0
L g Th x
 (6.143) 
  
2
1
3 20 0 1 0
Tx
L g Tx T
T
h x
 (6.144) 
r3 = 1 
Bước 2. Tính toán ma trận L 
1 2 3
1 2 3
1 2 3
1 1 1 2
2 2 2 1
3 3 3
0
0
0 0
L g L g L g T Tx
L g L g L g T Tx
TL g L g L g
h h h
h h h
h h h
x x x
L x x x x
x x x
 (6.145) 
Có thể dễ dàng nhận thấy rằng det [L(x)] = 3 0T và ma trận L(x) có thể 
nghịch đảo. Các điều kiện cần và đủ được tóm tắt như sau : 
3
1 2 3
det[ ( )] 0
3
T
r r r n
L x
 (6.146) 
 Hệ có tính điều khiển được. 
 147
Ta có vector bậc tương đối tối thiểu của đối tượng là: [r1,r2,r3]= [1,1,1] 
Bước 3. Thực hiện việc chuyển đổi tọa độ 
▪ Tính chất không gian trạng thái x được chuyển thành không gian trạng 
thái mới z: 
1 1 1
2 2 2
3 3 3
z g x
z g x
z g x
x
z m x x
x
 (6.147) 
▪ Tính chất mô hình trạng thái mới được tính như sau : 
1 2 3
1 2 3
1 2 3
1 1 1 1 1 2 1 3
2 2 2 1 2 2 2 3
3 3 3 1 3 2 3 3
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
z L g L g u L g u L g u
z L g L g u L g u L g u
z L g L g u L g u L g u
f h h h
f h h h
f h h h
x x x x
x x x x
x x x x



 (6.148) 
Phương trình (6.148) được tính cụ thể như sau : 
   
 
2 1 2
1 2 2 1
3
1
2 1 2 2
3
2 1 1 2 3
(1 ) ( ) 0 ( )
1 0 0 (1 ) ( ) 1 0 0 0 ( ) ( )
( ) 0 0
( )
(1 ) ( ) 0 ( ) ( )
( )
=(1- ) ( ) ( ) ( ) ( )
a T x k T Tx k
z a T x k T Tx k k
x k T
u k
a T x k T Tx k u k
u k
a T x k Tu k Tx k u k
u
 (6.149) 
   
 
2 1 2
2 2 2 1
3
1
2 2 1 2
3
2 2 2 1 3
(1 ) ( ) 0 ( )
0 1 0 (1 ) ( ) 0 1 0 0 ( ) ( )
( ) 0 0
( )
(1 ) ( ) 0 ( ) ( )
( )
(1 ) ( ) ( ) ( ) ( )
a T x k T Tx k
z a T x k T Tx k k
x k T
u k
a T x k T Tx k u k
u k
a T x k Tu k Tx k u k
u
 (6.150) 
 148
   
 
2 1 2
3 2 2 1
3
1
3 2 3 3
3
(1 ) ( ) 0
0 0 1 (1 ) ( ) 0 0 1 0
( ) 0 0
( )
( ) 0 0 ( ) ( ) ( )
( )
a T x k T Tx
z a T x k T Tx
x k T
u k
x k T u k x k Tu k
u k
u
 (6.151) 
Kết quả của việc chuyển đổi tọa độ là : 
1 2 1 1 2 3 1
2 2 2 2 1 3 2
3 3 3 3
(1- ) ( ) ( ) ( ) ( )
(1 ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
z a T x k Tu k Tx k u k w
z a T x k Tu k Tx k u k w
z x k Tu k w



 (6.152) 
Phương trình sau đây được rút ra từ: 
1 2 1 2
2 2 2 1
3 3
(1 ) 0
(1 ) 0
0 0
w a T x T Tx
w a T x T Tx
w x T
w u
 (6.153) 
( ) ( ) w p x L x u (6.154) 
Bước 4. Tìm khâu chuyển tọa độ trạng thái 
1 1( ). ( ) ( ). u L x p x L x w (6.155) 
Ta đã tính toán được ma trận L(x) từ (6.145): 
2
1
0
( ) 0
0 0
T Tx
T Tx
T
L x (6.156) 
Tính toán ma trận nghịch đảo của ma trận L(x) ta thu được kết quả : 
2
1
1
1 10
1 1( ) 0
10 0
x
T T
x
T T
T
L x (6.157) 
Ta sẽ có bộ điều khiển phản hồi trạng thái: 
 149
2
2 1 2 3
2 2 1 3 1
3
1 10
(1 )
1 1 1(1 ) 0
10 0
x
T Ta T x x x
a T x x x x
T T T
x
T
u w
 (6.158) 
 
 
1 2 1 2 3 1 2 3
2 2 2 1 3 2 1 3
3 3 3
1 (1 )
1 (1 )
1 ( )
u a T x x x w x w
T
u a T x x x w x w
T
u x w
T
 (6.159) 
( )
( )
[ ]
2 1 3
2 2 3
3
1( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
1( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
1( ) ( ) ( )
rd rd rq s rq
rq rq rd s rd
r r
u k a T i k i k k w k i k w k
T
u k a T i k i k k w k i k w k
T
k k w k
T
J
J
w J
ìï é ùï = - - + -ï ë ûïïïïï é ù= - + + +í ë ûïïïïï = +ïïïî
 (6.160) 
Đây chính là bộ điều khiển tuyến tính hóa chính xác cho đối tượng máy điện 
không đồng bộ nguồn kép. 
Sau khi thực hiện tuyến tính hóa chính xác cho đối tượng máy điện KĐB-NK 
ta có thể tiến hành thiết kế các bộ điều chỉnh dòng, các bộ điều chỉnh mạch 
vòng ngoài từ đó đưa ra các cấu trúc điều khiển cho máy điện KĐB-NK. 
Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng bộ nguồn kép khi thiết kế trực 
tiếp từ mô hình trạng thái gián đoạn theo phương pháp tuyến tính hóa chính 
xác như Hình PL.16. 
 150
*
Gm
Gm
TSP
*
rdi
PHTT rje 
rje  
3~
IE
n
u v w
MP
3
2
tr
ts
tt
r
s
t
ura
urb
urd
urq
ira
irb
irr
irs
irt
3
2
ira
irb
isu
isv
isw
Nje  
PLL
uNu
uNv
Rird
Rirq
Chuyển tọa 
độ trạng thái
Từ mạch một chiều 
trung gian tới
ĐCVTKG NL
Khâu ĐCMM
Khâu ĐCφ
GTT
isq
isd
irq
ird
u sNdU 
Gm
isd isq
uDC
TSP: Tính giá trị đặt
ĐCVTKG: Điều chế vector không gian
PLL: Đo góc pha, tần số điện áp lưới
GTT: Tính giá trị thực
PHTT: Phản hồi trạng thái
j
j
*j
'
sqy
'
sqy
rJ
*
rqi
rw
Nw
NJ
1w
2w
rJ r
J
Hình PL.16 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy phát trong hệ thống máy phát 
điện sức gió sử dụng MĐ KĐBNK thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa 
chính xác 
b. Cấu trúc điều khiển thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng 
Dựa trên phương trình mô men của máy điện không đồng bộ nguồn kép: 
( ) '3 1
2G p r sq rd
m z L is y=- - (6.161) 
Ta thiết lập mạch vòng điều chỉnh công suất hữu công (điều chỉnh mô men): 
( )
*
_ '
2 ( )( )
3 1 ( )
G
rd ff
p r sq
m ki k
z L ks y= - (6.162) 
Bổ sung thêm bộ điều chỉnh feedback: 
* * * *
_ _ 0 0( ) ( 1) ( ) ( ) ( 1) ( 1)rd fb rd fb m G G m G Gi k i k r m k m k r m k m ké ù é ù= - + - + - - -ë û ë û (6.163) 
Vậy: 
( )
* * *
_ 0'
* *
0
2 ( )( ) ( 1) ( ) ( )
3 1 ( )
( 1) ( 1)
G
rd rd fb m G G
p r sq
m G G
m ki k i k r m k m k
z L k
r m k m k
s y é ù= + - + - +ë û-
é ù+ - - -ë û
 (6.164) 
Ta tiếp tục thiết lập mạch vòng điều chỉnh công suất vô công: 
2
* '
_
2 ( ) ( )1 1 os ( )( )
( ) 3 cos ( )
G s
rq ff sd
sd p
m k k c ki k
u k z k
w jy j
æ ö -÷ç ÷ç= + ÷ç ÷÷çè ø
 (6.165) 
* * * *
_ _ 0cos 0cos( ) ( 1) cos ( ) cos ( ) cos ( 1) cos ( 1)rq fb rq fbi k i k r k k r k kj jj j j jé ù é ù= - + - + - - -ë û ë û 
 (6.166) 
Từ đó ta tính được: 
* * *
_ _( ) ( ) ( )rq rq ff rq fbi k i k i k= + (6.167) 
 151
Cuối cùng ta tiến hành thiết lập mạch vòng dòng theo nguyên lý hệ phẳng. 
Xuất phát từ mô hình dòng gián đoạn của máy điện không đồng bộ nguồn 
kép (6.47) ta có: 
* * ' ' *
_
* * ' ' *
_
( ) ( 1) (1 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( 1) (1 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
rd ff rd rd sd sq sd rq r
rq ff rq rq sd sq sq rd r
u k i k aT i k eT k bT k k dTu k Ti k k
u k i k aT i k bT k k eT k dTu k Ti k k
y w y w
w y y w
= + - - - + + -
= + - - - - + + 
 (6.168) 
Và: 
* *
_ _ 0 1
* *
_ _ 0 1
( ) ( 1) ( ) ( ) ( 1) ( 1)
( ) ( 1) ( ) ( ) ( 1) ( 1)
rd fb rd fb ir rd rd ir rd rd
rq fb rq fb ir rq rq ir rq rq
u k u k r i k i k r i k i k
u k u k r i k i k r i k i k
é ù é ù= - + - + - - -ë û ë û
é ù é ù= - + - + - - -ë û ë û
 (6.169) 
Cuối cùng ta tính được: 
_ _
_ _
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
rd rd ff rd fb
rq rd ff rd fb
u k u k u k
u k u k u k
= +
= + (6.170) 
Cấu trúc điều khiển: 
* ( )rdi k
* ( )rqi k
*
_ ( )rd fbi k
*
_ ( )rq fbi k
*
Gm_G refm
*
_ ( )rd ffi k
*
_ ( )rq ffi k
rje 
rje  
Nje  
u sNdU 
NdU
Gm
sw 'sqy
'
sqyrw
rJ
cosj
'
sqy
rw
NJ
*cosjcos _ refj
rJ
NJ
Nw
*
_rd refi
*
_rq refi
Hình PL.17 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện không đồng bộ nguồn kép 
thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng 
c. Cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp backstepping 
Ở trong phần này, ta chỉ thiết kế bộ điều chỉnh dòng rotor của máy điện 
không đồng bộ nguồn kép. Cấu trúc điều khiển được sử dụng để thiết kế 
Hình PL.18 
 152
*
Gm
Gm
*
rdi
rje 
rje  
*Q
Q
Nje  
u sNdU 
Gm
Q
r
*
rqi
rw
'
sqy
rJ
NJ
Nw
'
sqy '
sqy w
Hình PL.18 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện không đồng bộ nguồn kép 
khi bộ điều chỉnh dòng thiết kế theo phương pháp backstepping 
Từ mô hình dòng của máy điện KĐB-NK (6.47) ta viết lại như sau: 
' '
' '
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
rd rd sd sq rd sd rq r
rq rq sd sq rq sq rd r
i k ai k e k b k k cu k du k i k k
i k ai k b k k e k cu k du k i k k
d y w y w
d w y y w
ì = + - + - +ïïíï = + + + - -ïî
 (6.171) 
Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng ( )rdi k trên miền gián đoạn: 
Chọn ( )rdi k là biến điều khiển, giá trị mong muốn của nó là * ( )rdi k , được lấy từ 
bộ điều chỉnh mô-men thông qua khâu tính toán giá trị đặt TSP. Gọi sai lệch 
giữa giá trị đặt và giá trị thực là ( )rde k 
*( ) ( ) ( )rd rd rde k i k i k= - (6.172) 
Ta tính được ( )rde kd : 
*
* ' '
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
rd rd rd
rd rd sd sq rd sd rq r
e k i k i k
i k ai k e k b k k cu k du k i k k
d d d
d y w y w
= - =
= - - + - + - (6.173) 
Ta chọn hàm ổn định 
* ' '
1( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )rd rd rd rd sd sq sd rq rcu k k e i k ai k e k b k k du k i k kd y w y w=- + - - + + - (6.174) 
Chọn hàm điều khiển Lyapunov là: 
2
1
1
2 rd
V e= (6.175) 
Từ đó ta tính 1Vd : 
( ) ( )2 22 2 21 1 1 1 12 2 2rd rd rd rd rd rd
T T TV e e e k e k e k k ed d d é ùê ú= + =- + - =- -ê úë û
 (6.176) 
Theo [85] hệ sẽ ổn định mũ khi điều kiện (6.177) thỏa mãn: 
1 1 1V Vd c£- (6.177) 
 153
2
1 1 12min 2
Tk kc æ ö÷ç= - ÷ç ÷çè ø (6.178) 
Từ đó ta chọn 1 2k T< (6.179) 
Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng ( )rqi k trên miền gián đoạn: 
Chọn ( )rqi k là biến điều khiển, giá trị mong muốn của nó là * ( )rqi k , được lấy từ 
bộ điều chỉnh mô-men thông qua khâu tính toán giá trị đặt TSP. Gọi sai lệch 
giữa giá trị đặt và giá trị thực là ( )rqe k 
*( ) ( ) ( )rq rq rqe k i k i k= - (6.180) 
Ta tính được ( )rqe kd : 
*
* * ' '
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
rq rq rq
rq rq rq rq sd sq rq sq rd r
e k i k i k
i k i k i k ai k b k k e k cu k du k i k k
d d d
d d d w y y w
= - =
= - = - - - - + +
 (6.181) 
Ta chọn hàm ổn định 
* ' '
2( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )rq rq rq rq sd sq sq rd rcu k k e k i k ai k b k k e k du k i k kd w y y w=- + - - - + + 
 (6.182) 
Chọn hàm điều khiển Lyapunov là: 
2
2
1
2 rq
V e= (6.183) 
Từ đó ta tính 2Vd : 
( ) ( )2 22 2 22 2 2 2 22 2 2rq rq rq rq rq rq
T T TV e e e k e k e k k ed d d é ùê ú= + =- + - =- -ê úë û
 (6.184) 
2 2 2V Vd c£- (6.185) 
2
2 2 22min 2
Tk kc æ ö÷ç= - ÷ç ÷çè ø (6.186) 
Từ đó ta chọn 2 2k T< (6.187) 
Ta có thể viết lại các đại lượng điều khiển như sau: 
( )
( )
* ' '
1
* ' '
2
1( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
1( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
rd rd rd rd sd sq sd rq r
rq rq rq rq sd sq sq rd r
u k k e i k ai k e k b k k du k i k k
c
u k k e k i k ai k b k k e k du k i k k
c
d y w y w
d w y y w
ìïï = - + - - + + -ïïïíïï = - + - - - + +ïïïî
 (6.188) 
Và các thông số được chọn 1 22 2;k kT T< < (6.189) 
Như vậy bộ điều chỉnh dòng rotor đã được thiết kế theo phương pháp 
backstepping. 
 154
Phụ lục E: Thông số của các máy điện sử dụng trong quá trình 
mô phỏng và thực nghiệm 
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc 3.0 kW (chỉ sử dụng trong mô phỏng) 
có các thông số sau: 
- Công suất định mức: PN= 3,0 kW 
- Dòng điện định mức: IN=7,4 A 
- Tần số định mức: fN =50 Hz 
- Hệ số công suất: cosφ = 0,9 
- Số đôi cực: zp=1 
- Tốc độ định mức: nN= 3000 vòng/phút 
- Điện áp định mức: UN= 400 V 
- Điện trở stator: Rs=0,37  
- Điện trở Rotor: Rr=0,42  
- Điện cảm stator: Ls=0,03441 H 
- Điện cảm Rotor: Lr=0,03425 H 
- Hỗ cảm giữa Stator và Rotor: Lm=0,0331 H 
- Mô-men quán tính: J=0.00095kgm2 
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Marathon (sử dụng trong mô phỏng 
và thực nghiệm) có các thông số sau: 
- Công suất định mức: PN= 0,18 kW 
- Dòng điện định mức: IN=1,0 A 
- Tần số định mức: fN =60 Hz 
- Số đôi cực: zp=2 
- Tốc độ định mức: nN= 1800 vòng/phút 
- Điện áp định mức: UN= 220 V 
- Điện trở stator: Rs=11,05  
- Điện trở Rotor: Rr=6,11  
- Điện cảm stator: Ls=0,316423 H 
- Điện cảm Rotor: Lr=0,316423 H 
- Hỗ cảm giữa Stator và Rotor: Lm=0,293939 H 
 155
Hình PL.19 Hình ảnh hệ thống thí nghiệm