Mô phỏng và thực nghiệm bộ điều khiển tốc độ động cơ pmsm bằng phương pháp vector và thuật toán svpwm dựa trên công nghệ fpga

 53 Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số 04 
Journal of Science of Lac Hong University
Vol. 4 (12/2015), pp. 53-58
Tạp chí Khoa học Lạc Hồng
Số 4 (12/2015), trang 53-58
MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG 
CƠ PMSM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VECTOR VÀ THUẬT TOÁN 
SVPWM DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ FPGA
Co-simulation and experiment PMSM speed controller with vector control 
and SVPWM algorithm based on FPGA
Nguyễn Vũ Quỳnh1, Hoàng Thị Nga, Nguyễn Hoàng Huy2, Lương Hoàng Sơn
1vuquynh@lhu.edu.vn; 2nguyenhoanghuy@gmail.com
Khoa Cơ Điện - Điện Tử Trường Đại học Lạc Hồng, Đồng Nai, Việt Nam
Đến tòa soạn: 12/12/2014; Chấp nhận đăng: 3/1/2015 
Tóm tắt. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có hiệu suất cao vì thế được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Bài báo 
này trình bày các bước thiết kế, mô phỏng bằng Simulink/Modelsim và thực nghiệm trên Kit DE2-70 bộ điều khiển tốc độ 
cho PMSM bằng phương pháp vector dựa trên công nghệ FPGA. Nội dung bài báo gồm 3 phần chính: Đầu tiên thuật toán 
SVPWM và phương pháp điều khiển vector được xây dựng và áp dụng; Tiếp theo, ngôn ngữ lập trình mô tả phần cứng 
được sử dụng để thực thi thuật toán điều khiển; Các bước mô phỏng chi tiết được xây dựng nhằm kiểm tra tính đúng đắn 
của từng phần thuật toán điều khiển. Toàn bộ thuật toán được đánh giá tính hiệu quả và độ chính xác lần nữa thông qua 
thực nghiệm trực tiếp trên kit FPGA. Cuối cùng kết quả mô phỏng và thực nghiệm được so sánh và thảo luận. 
Từ khoá: FPGA; Mô phỏng; Thực nghiệm; Điều khiển động cơ 
Abstract. The PMSM has been increasingly used in many automation control fields as actuators, due to its advantages of 
superior power density, high-performance motion control with fast speed and better accuracy. This article presented the 
system design and simulation steps with Simulink/Modelsim and experiment on Altera’s DE2-70. The content includes 
three parts. Firstly, SVPWM algorithm and vector control were developed; Secondly, the very high speed intergrated 
circuit description language was used for coding the control algorithm; Thirdly, the simulation and experiment steps 
were designed for checking the correctness of system; Finally, the simulation and experiment results were discussed and 
compared. 
Keywords: FPGA; Simulation; Experiment; Motor control 
1. GIỚI THIỆU
Công nghệ mô phỏng ngày càng được sử dụng rộng rãi 
trong mọi lĩnh vực hoạt động của con người. Chương 
trình mô phỏng giúp tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên 
vật liệu, tránh được những trường hợp rủi ro, nguy hiểm 
trong điều kiện thực, thậm chí có thể làm được cái không 
thể làm trong điều kiện thực. Sử dụng chương trình mô 
phỏng trong điều kiện cơ sở vật chất còn thiếu thốn giúp 
khai thác hiệu quả công việc đào tạo và nghiên cứu. 
Một chương trình mô phỏng phát triển bởi EDA 
(Electronic Design Automation) được khai thác để kiểm 
tra tính chính xác của mã VHDL hoặc Verilog. Chương 
trình mô phỏng cung cấp một giao diện giữa 
Matlab/Simulink và ModelSim để thực hiện việc kích 
hoạt, thực thi các đoạn mã viết bằng VHDL/Verilog trong 
thời gian thực. Trong bài báo này, chương trình mô phỏng 
Matlab/Simulink và ModelSim được sử dụng để mô 
phỏng thuật toán điều khiển động cơ có cấu trúc như 
trong hình 1. Động cơ PMSM, bộ nghịch lưu, bộ cài đặt 
tốc độ được thiết kế trên Simulink, thuật toán điều khiển 
vector, bộ điều chế vector không gian, bộ điều khiển tốc 
độ được lập trình bằng mã VHDL và nhúng vào 
Matlab/Simulink thông qua phần mềm Modelsim.
Động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu 
thường được sử dụng trong các hệ thống đòi hỏi độ chính 
xác cao như robot, gia công cơ khí, v.v. vì thế bộ điều 
khiển tốc độ động cơ đóng một vai trò rất quan trọng. Bài 
báo ứng dụng phương pháp điều khiển vector và điều chế
vector không gian dựa trên ngôn ngữ mô phỏng phần 
cứng để thiết kế bộ điều khiển cho PMSM. Hiện nay rất 
nhiều phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu như 
điều khiển thích nghi, điều khiển thông minh,v.v. Hầu hết 
các bộ điều khiển đều sử dụng chip xử lý tín hiệu số
(DSP), với nhược điểm là chiếm nguồn tài nguyên và tốn 
nhiều thời gian để phát triển ứng dụng. Trong khi đó công 
nghệ FPGA là một ngôn ngữ lập trình phần cứng với đầy 
đủ những tính năng như tính toán nhanh, tiêu thụ năng 
lượng ít, tích hợp CPU, độ chính xác cao, v.v. [1]. Ý 
tưởng thiết kế bộ điều khiển vector là moment và các 
thành phần từ hóa của từ thông stator được điều khiển độc 
lập. Dòng điện ba pha stator được biến đổi thành vector 
dòng điện cung cấp cho bộ điều khiển (Hình 1). Một khi 
các thông số bộ điều khiển được chọn lựa tốt dòng điện 
điều khiển , giúp cho việc điều khiển động cơ 
PMSM tương tự với việc điều khiển động cơ một chiều. 
Moment của động cơ được điều khiển thông qua dòng 
điện trên trục q (iq).
2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
2.1 Bộ điều khiển dòng điện và các khâu biến đổi 
Mô hình toán học của PMSM:
Nguyễn Vũ Quỳnh, Hoàng Thị Nga, Nguyễn Hoàng Huy, Lương Hoàng Sơn 
 54 Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số 04 
 (1)
 (2)
Bộ điều khiển dòng điện và các khâu biến đổi (Hình 1) 
bao gồm bộ PI, phép biến đổi Clark, Clark ngược, Park, 
Park ngược. Các khâu biến đổi được thể hiện chi tiết 
trong Hình 2. Sau khi áp dụng phương pháp điều khiển 
vector momen của động cơ chỉ phụ thuộc vào iq:
 (3)
Phương trình toán học của động cơ khi mang tải:
 (4)
Hình 1. Sơ đồ khối của toàn bộ hệ thống điều khiển
Hình 2. Các phép biến đổi hệ trục tọa độ trong điều khiển 
vector
2.2 Bộ điều chế vector không gian
SVPWM là kỹ thuật điều khiển đươc ứng dụng rộng rãi 
trong điều khiển thiết bị điện tử công suất. Trạng thái 
đóng cắt của 6 khóa điện tử công suất (S1~S6) dựa trên 
thuật toán SVPWM tạo thành tám vector điện áp cung cấp 
cho động cơ. Trong đó vector V0 và V7 cho điện áp ngõ ra 
bằng không. Vì vậy vector điện áp Uout trên động cơ được 
tính toán dựa trên 6 vector còn lại [2-3].
Hình 3. Sáu vector điện áp cung cấp điện cho động cơ
Tại mỗi cung 1/6 của hình lục giác điện áp ngõ ra có 
thể được tính toán theo công thức sau:
 (5)
Trong đó T0 = T - T1 - T2 và T là nửa chu kỳ
PWM.Như hình 4 tại khu vực 1/6 nằm giữa hai vector V0
và V2 thì vector điện áp ngõ ra có thể được tính như sau:
Mô phỏng và thực nghiệm bộ điều khiển tốc độ động cơ PMSM bằng phương pháp Vector 
 55 Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số 04 
 (6)
 (7)
Thay công thức (6)~(7) vào (5), ta được:
(8)
Với
(9)
(10)
Từ công thức (9) and (10), giá trị của T1và T2 có thể
được tính toán như sau:
(11)
(12)
Tương tự cho các cung 1/6 khác giá trị của T1 và T2
được tính toán và được liệt kê trong bảng số 1, với TX, TY
và TZ được biểu diễn bởi công thức:
(13)
(14)
(15)
Nếu như tại điều kiện bão hòa nơi mà T1 + T2> T, thì T1 và T2
sẽ được thay đổi như sau:
(16)
(17)
Sau khi tính toán giá trị của T1 và T2, chúng được 
chuyển qua thời gian tác động của SVPWM ở ngõ ra 
(Hình 4.a) thời gian tác động được tính toán dựa trên công 
thức:
Taon = (T-T1-T2)/2 = T0/2 (18)
Tbon = Taon +T1 (19)
Tcon = Tbon+T2 (20)
Thời gian tác động của PWM tại mỗi cung 1/6 được 
xác định và liệt kê trong bảng số 2.
Từ hình 4b mỗi cung 1/6 được xác định bằng biểu thức:
If Vref1 > 0 then a=1 else a=0; (21)
If Vref2 > 0 then b=1 else b=0; (22)
If Vref3> 0 then c=1 else c=0. (23)
Vì vậy
Sector = a+2b+4c. (24)
Hơn nữa từ các công thức (13)~(15) và công thức biến 
đổi clark ngược (Hình 2b) ta có:
 (25)
Do đó, Tx, Ty và Tz có thể thu được trực tiếp từ giá trị
đầu vào của SVPWM Vref1, Vref2 và Vref3 (Hình 1)
Tóm tắt các bước tính toán SVPWM:
Bước 1: Dựa vào công thức (24) xác định vị trí các 
cung 1/6.
Bước 2: Tính toán giá trị của TX, TY và TZ từ công thức 
(13) ~(15).
Bước 3: Xác định giá trị của T1 và T2 từ bảng số 1. Nếu 
giá trị T1 và T2 rơi vào điểm bão hòa thì áp dụng công 
thức (16)-(17) để thay đổi.
Bước 4: Xác định chu kỳ tác động của PWM Taon, 
Tbon và Tcon từ công thức (18)~(20).
Bước 5: Gán chu kỳ tác động của PWM ra ngõ ra 
CMPR1, CMPR2 và CMPR3 dựa vào Bảng số 2.
Bảng 1. Giá trị của T1 và T2
S1 S2 S3 S4 S5 S6
T1 Tz Ty - Tz - Tx Tx -Ty
T2 Ty -Tx Tx Tz -Ty - Tz
Bảng 2. Giá trị so sánh tại mỗi cung 1/6
S3 S1 S5 S4 S6 S2
CMP1 Ta Tb Tc Tc Tb Ta
CMP2 Tb Ta Ta Tb Tc Tc
CMP3 Tc Tc Tb Ta Ta Tb
(a)
(b)
Hình 4. Thời gian đóng cắt của PWM trong cung 1/6 đầu 
tiên (a) và dạng sóng điện áp cung cấp cho khối SVPWM (b)
2.3 Bộ điều khiển PI
Ngày nay bộ điều khiển PI được ứng dụng rất phổ biến 
trong điều khiển các quá trình công nghiệp vì cấu trúc 
điều khiển đơn giản, phạm vi ứng dụng rộng và hiệu quả
điều khiển cao. Bộ điều khiển PI gồm hai khâu chính là tỷ
lệ (P) và tích phân (I). Dưới đây bài báo trình bày việc lập 
trình bộ điều khiển PI số bằng ngôn ngữ lập trình VHLD, 
phần antireset-windup được thiết kế trong module riêng 
[4]
Khâu tỷ lệ và khâu tích phân được tính toán bằng công 
thức:
Nguyễn Vũ Quỳnh, Hoàng Thị Nga, Nguyễn Hoàng Huy, Lương Hoàng Sơn 
 56 Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số 04 
 (26)
 (27)
Bộ điều khiển PI số là tổng hợp của hai khâu trên:
(28)
3. CÁC BƯỚC MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN.
Hình 5.Sơ đồ khối kiểm tra thuật toán SVPWM (a) và mô 
hình mô phỏng Simulink kiểm tra SVPWM (b)
Để dễ dàng kiểm tra tính hiệu quả và chính xác của 
thuật toán điều khiển vector và SVPWM, bài báo thực 
hiện mô phỏng và thực nghiệm trong 6 bước
Bước 1: Kiểm tra thuật toán SVPWM. Sơ đồ khối kiểm 
tra SVPWM được mô tả trong Hình 5(a), chương trình 
modelsim được sử dụng để nhúng mã viết bằng VHDL 
của các phép biến đổi Clark, Park, Clark ngược, Park 
ngược và thuật toán SVPWM vào Matlab/Simulink. 
Tần số chuyển mạch của PWM được thiết kế là 16kHz 
và thời gian trì hoãn đóng cắt giữa khóa điện tử công suất 
phía trên và phía dưới là 1.2ms. Giá trị ngõ vào được đặt 
từ 0.1 đến 0.5 với chu kỳ thời gian 0.1s, giá trị id được đặt 
bằng không, tín hiệu address ( ) mô tả góc từ thông 
rotor thay đổi từ 0~360 độ. Để dễ dàng quan sát tín hiệu, 
ngõ ra PWM được kết nối với mạch lọc RC (R=10W, 
C=47 ). Mô hình mô phỏng Simulink thể hiện ở Hình 
5(b). Kết quả SVPWM thể hiện ở hình 6 đã thể hiện tính 
chính xác của thuật toán SVPWM
Bước 2: Sau khi kiểm nghiệm độ chính xác của thuật 
toán SVPWM thông qua mạch lọc RC, bước này sẽ kiểm 
nghiệm lần nữa bằng cách kết nối trực tiếp tới động cơ. 
Sử dụng thư viện Power system blockset để thiết kế bộ
biến tần dựa trên công nghệ IGBT và bổ xung thêm 
nguồn DC, PMSM. 
Sơ đồ khối của bước 2 thể hiện ở Hình 7a và mô hình 
mô phỏng ở Hình 7b. Góc quay từ thông rotor được phản 
hồi về thay thế cho tín hiệu address ở bước 1. Ngõ vào iq
được đặt với các giá trị tương ứng 205, 410, 614, 410, 
205.
Hình 6. Dạng sóng SVPWM ở ngõ ra sau mạch lọc RC
Bước 3: Bộ điều khiển tốc độ PI được thêm vào hệ
thống, tốc độ của PMSM phản hồi về bộ điều tốc. Lúc 
này ta có thể điều khiển PMSM chạy theo các tốc độ đặt 
trước tại ngõ vào (Hình 8a), mô hình mô phỏng của 
bước 3 thể hiện ở Hình 8b.
Bước 4: Tín hiệu dòng điện 3 pha đo được từ động cơ 
phản hồi về qua phép biến đổi Clark và Park để kiểm tra 
id và iq. Đồng thời trên mô hình mô phỏng PMSM, ngoài 
tốc độ, góc từ thông, moment  còn cung cấp tín hiệu id
và iq. Tín hiệu này được sử dụng để so sánh với tín hiệu 
thu được thông qua phép biến đổi Clark và Park.
Bước 5: Sau khi đã kiểm tra toàn bộ các chức năng của 
từng khối, một mô hình mô phỏng Simulink được thiết 
lập như Hình 9. Hai bộ PI điều khiển dòng điện được 
thêm vào hệ thống, tín hiệu id và iq ở bước trên được 
phản hồi về bộ điều khiển dòng điện. Trong Hình 9, M1 
chứa mã VHDL của bộ điều khiển tốc độ. M2 chứa mã 
VHDL của bộ điều khiển dòng điện, các phép biến đổi và 
SVPWM. Giá trị tốc độ đặt được thay đổi từ
0rpmà500rpm à 1000rpm à 1500rpm à 2000rpm à
1500rpm nhằm kiểm tra đáp ứng tốc độ của động cơ. Kết 
quả đáp ứng tốc độ của động cơ được thể hiện ở Hình 10. 
Đáp ứng tốc độ động cơ bám rất tốt đường tốc độ đặt, 
thời gian thay đổi tăng hoặc giảm 500 vòng/phút khoảng 
16ms, không có vọt lố. Dòng điều khiển id xấp xỉ bằng 
không, dòng 3 pha động cơ cân bằng.Kết quả mô phỏng 
đã thể hiện tính hiệu quả và chính xác của thuật toán điều 
khiển.
Mô phỏng và thực nghiệm bộ điều khiển tốc độ động cơ PMSM bằng phương pháp Vector 
 57 Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số 04 
Hình 7. Sơ đồ khối kiểm nghiệm ở bước 2 (a) và mô hình mô 
phỏng Simulink (b)
Hình 8. Sơ đồ khối bước 3 (a) và mô hình mô phỏng Simulink-
modelsim (b)
Hình 9. Mô hình mô phỏng Simulink – Modelsim của toàn bộ hệ thống
Hình 10. Đáp ứng tốc độ, dòng điều khiển và dòng ba pha 
của động cơ
4. THỰC NGHIỆM
Sau khi kiểm chứng toàn bộ các chức năng của hệ
thống thông qua mô phỏng, mã VHDL được tải vào chip 
FPGA DE2-70 để kiểm nghiệm lại lần nữa thông qua hệ
thống thực tế. Tổng quan về hệ thống thực nghiệm được 
mô tả ở hình 11. Các thành phần chính bao gồm FPGA
board của Altera, PMSM, mạch điều khiển, inverter. 
Trong thực nghiệm có thêm 2 đoạn mã VHDL của ADC 
và QEP được thêm vào để đọc tín hiệu dòng điện và góc 
quay của PMSM.
Tương tự với phần mô phỏng, phần thực nghiệm cũng 
thay đổi giá trị đặt của tốc độ để kiểm tra đáp ứng của 
động cơ. Tốc độ đặt thay đổi theo trình tự như sau 
300rpmà800rpmà1300rpmà1800rpmà1300rpmà18
00rpmà1300rpm. Kết quả thực nghiệm trên hình 12 cho 
thấy tốc độ động cơ đáp ứng rất tốt với sự thay đổi của tốc 
độ đặt, thời gian chuyển đổi tốc độ khoảng 120ms, hoàn 
toàn không bị vọt lố. Dòng điều khiển id xấp xỉ bằng 
không. Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển động 
cơ đã đáp ứng rất tốt cho hệ thống khi có tín hiệu đặt thay 
đổi.
5. KẾT LUẬN
So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm từ hình 10 
và hình 12 cho thấy, đáp ứng tốc độ của động cơ tương tự
nhau. Phần mô phỏng có thời gian nhanh hơn phần thực 
nghiệm vì động cơ ở phần mô phỏng được thay đổi thông 
số nhằm giảm bớt thời gian chạy mô phỏng. Tuy nhiên 
toàn bộ các bước mô phỏng và thực nghiệm đã cho thấy 
sức mạnh của điều khiển vector, các kết quả chứng minh 
được hệ thống đã được thiết kế chính xác và hoạt động 
hiệu quả. Công nghệ mô phỏng hoàn toàn có thể đáp ứng 
được yêu cầu của hệ thống.
SVPWM
DC
Power
PMSM
IGBT-
base 
Inverter
PWM1
Park-1
modify
Clark-1
PWM6
PWM2
PWM3
PWM4
PWM5a,b,c
d,q
Modelsim
sin /cos of 
Flux angle
eq Flux angle
Transform. 
A B C
+
—
PI
Controller
r(a)
Rotor 
speed
SVPWM
PMSM
PI
(b)
Nguyễn Vũ Quỳnh, Hoàng Thị Nga, Nguyễn Hoàng Huy, Lương Hoàng Sơn 
 58 Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số 04 
Hình 11. Phần cứng thực nghiệm
Hình 12. Đáp ứng tốc độ của động cơ và dòng điều khiển
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Y. S. Kung, N. V. Quynh, C. C. Huang, and L. C. Huang, 
"Simulink/ModelSim co-simulation of sensorless PMSM 
speed controller," in Industrial Electronics and 
Applications (ISIEA), 2011 IEEE Symposium on, pp. 24-
29, 2011.
[2] R. K. Pongiannan and N. Yadaiah,“FPGA based Space 
Vector PWM Control IC for Three Phase Induction Motor 
Drive”, IEEE International Conference on Industrial 
Technology, pp. 2061-2066, 2006.
[3] A. O. Rait and P. Bhosale – FPGA,“Implementation of 
space vector PWM for speed control of 3-phase induction 
motor”, International Conference on 
RecentAdvancements in Electrical, Electronics and 
Control Engineering, pp. 221-225, 2011
[4] Y. Li, J. Huo, X. Li, J. Wen, Y. Wang, &B. Shan, “An 
open-loop Sin microstepping driver based on FPGA and 
the co-simulation of Modelsim and Simulink”, 
International Conference on Computer, Mechatronics, 
Control and Electronic Engineering (CMCE), Vol.6, pp. 
223-227, 2010.
TIỂU SỬ TÁC GIẢ
Nguyễn Vũ Quỳnh
Năm sinh 1979, Biên hòa, Đồng Nai. Tốt nghiệp Đại học và Thạc sĩ tại trường đại học Sư Phạm Kỹ
Thuật Thành phố Hồ Chí Minh năm 2003 và 2005. Tốt nghiệp Tiến sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện tại 
trường Đại học Khoa học Công nghệ Nam Đài - Đài Loan. Hiện anh đang là trưởng khoa Cơ Điện -
Điện Tử, trưởng phòng Nghiên cứu khoa học trường Đại học Lạc Hồng. Lĩnh vực nghiên cứu: FPGA, 
PLC, Kỹ thuật điều khiển thông minh, Tự động hóa quy trình sản xuất, Hệ thống nhúng, v.v.
Nguyễn Hoàng Huy
Năm sinh 1978, thành phố Hồ Chí Minh. Hiện anh đang là giảng viên khoa Cơ Điện - Điện Tử trường Đại 
học Lạc Hồng. Lĩnh vực nghiên cứu: Điều khiển thông minh, xử lý tín hiệu số, v.v.