Hoàn thiện phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ dùng biến tần kiểu ma trận

 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
40 
HOÀN THIỆN PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP 
MÔ MEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN 
IMPROVEMENT OF DIRECT TORQUE CONTROL 
FOR ASYNCHRONOUS MOTOR DRIVES BY USING MATRIX CONVERTER 
Bùi Quốc Khánh, Trần Trọng Minh, Phạm Văn Bách 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
TÓM TẮT 
 Biến tần ma trận (Matrix Converter – MC) đem lại những khả năng mới trong hệ truyền động 
động cơ không đồng bộ với phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (Direct Torque Control – DTC). 
Bằng cách khai thác MC như một biến tần đa mức (multi-level), làm giảm mức thăng giáng của điện 
áp đầu ra, do đó giảm được độ đập mạch của mô men. Bài báo đưa ra cấu trúc điều khiển DTC – MC 
với bộ điều chỉnh có ngưỡng, đặc trưng của DTC, nhưng với năm mức so sánh, thay vì chỉ có hai hay 
ba mức ở DTC thông thường. Các kết quả thử nghiệm trên mô hình mô phỏng và trên mô hình thí 
nghiệm đã chứng tỏ khả năng áp dụng thực tế của cấu trúc này. Hiệu quả đặc biệt thể hiện rõ ở độ 
đập mạch mô men thấp, kể cả ở vùng tốc độ thấp, trong khi vẫn đảm bảo tất cả các đặc tính năng 
lượng của biến tần ma trận như trao đổi năng lượng hai chiều với lưới điện, dòng đầu vào hình sin, hệ 
số công suất điều chỉnh được đến gần một. 
ABSTRACT 
 Using Matrix Converter (MC) in Direct Torque Control (DTC) of asynchronous machine makes it 
possible to improve general performance, especially the torque ripple reduction. The favorable feature 
is obtained by controlling MC as a multilevel converter that decreases output voltage steps, leads to 
much more smooth torque wave form. This paper presents a control structure for DTC – MC with the 
controller of five thresholds instead of only two or three levels in normal DTC. The simulations as well 
as experimental results demonstrate the validity of the actual control structure and its application 
feasibility. The effectiveness is particularly found in the low toque ripple levels, even in low speed 
region, while ensuring all special capability of the MC as bidirectional energy exchange, sine-wave 
input current and closed-to-unity power factor. 
I. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Với đáp ứng nhanh, bộ điều chỉnh đơn 
giản, DTC đã được ứng dụng phổ biến với các 
biến tần trên cơ sở các bộ nghịch lưu nguồn áp 
(DTC – VSI). Nhược điểm của DTC – VSI là 
độ đập mạch mô men lớn, nhất là ở vùng tốc độ 
thấp, tần số đóng cắt của van bán dẫn thay đổi 
dẫn tới tổn thất tăng. Biến tần kiểu ma trận 
(Matrix Converter – MC) là dạng biến tần trực 
tiếp [1, 2], có số vector đóng cắt nhiều hơn, ứng 
với nhiều mức điện áp ra, tạo nên nhiều khả 
năng lựa chọn vector trong điều khiển DTC, có 
thể khắc một cách hiệu quả các vấn đề của DTC 
– VSI [3]. Bài viết này đưa ra một cấu trúc điều 
khiển MC – DTC, đặc biệt khai thác MC như 
một biến tần đa mức (multi-level), với mục tiêu 
giảm độ đập mạch mô men động cơ ở vùng tốc 
độ thấp mà không làm tăng đáng kể tần số đóng 
cắt của van, trong khi vẫn đảm bảo các tính 
năng ưu việt của MC là trao đổi năng lượng với 
lưới hai chiều, dòng đầu vào hình sin với hệ số 
công suất gần bằng một. 
Trong phần I sẽ phân tích các đặc điểm 
của DTC với phương pháp điều chế vec-tơ 
không gian (Space Vector Modulation – SVM), 
cho thấy rõ sự khác nhau giữa SVM – VSI và 
SVM – MC. Phần thứ II trình bày cách thức 
xây dựng hệ thống điều khiển DTC – MC với 
đặc tính được cải thiện hơn nhiều so với cấu 
trúc cơ bản. Phần thứ III là các kết quả thử 
nghiệm cho thấy tính đúng đắn của giải pháp 
điều khiển đưa ra. 
1.1 Cấu trúc DTC trong biến tần gián tiếp 
nguồn áp (DTC-VSI) 
Nguyên lý DTC – VSI, cấu trúc thể hiện 
trên hình 1, dựa trên việc lựa chọn các véc-tơ 
điện áp chuẩn áp đặt lên stato của động cơ tùy 
thuộc vào giá trị, độ biến thiên sai lệch mô men 
và từ thông stato và vị trí véc-tơ từ thông stato, 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
41 
trong đó Te
*
, Fs
*
 là mô men đặt và từ thông đặt, 
Te và Fs là giá trị mô men và từ thông stato ước 
lượng. Bộ điều khiển từ thông là khâu so sánh 
hai mức, bộ điều khiển mô men là khâu so sánh 
ba mức, đầu ra các bộ điều khiển này, SF và ST, 
được đưa tới bảng chọn véc-tơ chuẩn theo bảng 
1. Bảng 1 được lập dựa trên cơ sở phân tích ảnh 
hưởng của các vec-tơ chuẩn được chọn theo số 
gia véc-tơ từ thông và theo vị trí của nó trên 
mặt phẳng véc-tơ không gian, minh họa trên 
hình 2.a và 2.b. Các vec-tơ chuẩn có biên độ 
không đổi, 0 hoặc ±2/3Udc, với Udc là điện áp 
một chiều trung gian. 
Hình 1. Cấu trúc DTC-VSI cơ bản. 
1.2 Cấu trúc DTC trong MC 
Trên hình 3 thể hiện cấu tạo của MC. Sơ 
đồ cấu trúc cơ bản hệ thống DTC-MC cho trên 
hình 4 [3], bao gồm 3 khâu điều khiển có 
ngưỡng, hai khâu cho từ thông và cho mô men 
như ở DTC-VSI cơ bản, khâu thứ ba cho giá trị 
trung bình của sin(i). i là góc lệch pha giữa 
vec-tơ dòng điện và điện áp đầu vào. 
 Trong sơ đồ trên hình 4 các đại lượng cần 
đo bao gồm các giá trị điện áp đầu vào ui, điện 
áp đầu ra uo và các dòng điện ra tải io. Từ thông 
và mô men được tính theo các giá trị đo được 
uo, io. Các giá trị dòng đầu vào được xác định 
qua các giá trị đo dòng đầu ra và trạng thái của 
các van, từ đó tính được vectơ dòng 1I . So 
sánh góc pha giữa vectơ dòng đầu vào với vectơ 
đồng bộ  , như phương pháp đề ra trong [1], 
sẽ xác định được góc lệch pha i giữa dòng 
điện thực và vectơ đồng bộ, đưa đến đầu vào 
của bộ điều chỉnh sin(i). Bộ điều chỉnh sẽ đảm 
bảo i  0, nghĩa là làm cho hệ số công suất 
gần bằng một. Các vec-tơ chuẩn của MC cho 
trong bảng 2. Trong DTC – MC tác động của 
các bộ điều chỉnh có ngưỡng từ thông và mô 
men giống như trong DTC – VSI, nếu chỉ xét 
trên hệ thống vec-tơ không gian điện áp đầu ra 
của MC v0 (xem hình 5.a). 
Hình 2. a) Véc-tơ từ thông stato. 
 b) Véc-tơ điện áp chuẩn v0. 
Bảng 1. Bảng chọn véc-tơ trong DTC-VSI cơ 
bản. 
 Sector v0 
 S 
I 
S 
II 
S 
III 
S 
IV 
S 
V 
S 
VI 
SF
=1 
ST= 1 2 3 4 5 6 1 
ST= 0 0 0 0 0 0 0 
ST= -1 6 1 2 3 4 5 
SF
=-
1 
ST= 1 3 4 5 6 1 2 
ST= 0 0 0 0 0 0 0 
ST= -1 5 6 1 2 3 4 
Ua
Ub
Uc
Lf
S11
S12
S13 S23
S22
S21 S31
S32
S33
M
A B C
Cf
Clamp
Input
filter
BDS
Hình 3. Sơ đồ cấu trúc cơ bản MC. 
Fs 
V3 V2 
V1 V4 
V5 V6 
S1 
S6 
S2 S3 
S4 
S5 
Δt1v3 
Δt2v5 
Fs 
Fs
* 
Te 
Te
* 
Bảng chọn 
véc-tơ 
chuẩn 
Ước lượng 
 Fs , Te 
Fs 
VSI 
IM iA 
iB 
S_FS 
SF 
ST 
a) 
b) 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
42 
Bảng 2. Bảng các véc-tơ không gian trong MC. 
No A B C Uo θo Ii αi 
1+ a b b 2/3uab π/6 32 iA -π/6 
1- b a a -2/3uab -5π/6 - 32 iA -π/6 
2+ b c c 2/3ubc π/6 32 iA π/2 
2- c b b -2/3ubc -5π/6 - 32 iA π/2 
3+ c a a 2/3uca π/6 32 iA 7π/6 
3- a c c -2/3uca -5π/6 - 32 iA 7π/6 
4+ b a b 2/3uab 5π/6 32 iB -π/6 
4- a b a -2/3uab -π/6 - 32 iB -π/6 
5+ c b c 2/3ubc 5π/6 32 iB π/2 
5- b c b -2/3ubc -π/6 - 32 iB π/2 
6+ a c a 2/3uca 5π/6 32 iB 7π/6 
6- c a c -2/3uca -π/6 - 32 iB 7π/6 
7+ b b a 2/3uab -π/2 32 iC -π/6 
7- a a b -2/3uab π/2 - 32 iC -π/6 
8+ c c b 2/3ubc -π/2 32 iC π/2 
8- b b c -2/3ubc π/2 - 32 iC π/2 
9+ a a c 2/3uca -π/2 32 iC 7π/6 
9- c c a -2/3uca π/2 - 32 iC 7π/6 
0a a a a 0 - 0 - 
0b b b b 0 - 0 - 
0c c c c 0 - 0 - 
Hình 4. Sơ đồ cấu trúc cơ bản DTC-MC. 
7+,8+,9+
4-,5-,6-1-,2-,3-
4+,5+,6+ 1+,2+,3+
7-,8-,9-
2-,5-,8-
1+,4+,7+3+,6+,9+
1-,4-,7- 3-,6-,9-
2+,5+,8+
a
b b
aI
IIIII
IV
V VI
1
2
3
4
5
6
qiqo
vo ii
(a) (b)
Hình 5. Véc-tơ không gian của MC 
 Tuy nhiên MC còn có hệ thống vec-tơ 
dòng đầu vào nên các véc-tơ chuẩn được chọn 
theo bảng 3 [3], trong đó các cột đánh số I, II, 
, VI chỉ các sec-tơ của vec-tơ dòng đầu vào, 
các hàng đánh số 1, 2, , 6 chỉ các vec-tơ điện 
áp ra, nếu được chọn theo DTC. 
Bảng3. Bảng chọn véc-tơ trong DTC-MC cơ 
bản. 
 I II III IV V VI 
c + - + - + - + - + - + - 
1 -3 1 2 -3 -1 2 3 -1 -2 3 1 -2 
2 9 -7 -8 9 7 -8 -9 7 8 -9 -7 8 
3 -6 4 5 -6 -4 5 6 -4 -5 6 4 -5 
4 3 -1 -2 3 1 -2 -3 1 2 -3 -1 2 
5 -9 7 8 -9 -7 8 9 -7 -8 9 7 -8 
6 6 -4 -5 6 4 -5 -6 4 5 -6 -4 5 
II. HOÀN THIỆN DTC CHO MC 
2.1 Đặc điểm của vector trong MC 
 Như biểu diễn trên hình 5.a và 5.b, mặt 
phẳng biểu diễn véc-tơ không gian điện áp đầu 
ra và vec-tơ dòng điện đầu vào đều được chia 
thành 6 séc-tơ. Độ dài của một véc-tơ v0 (khác 
không) trên hình 5.a sẽ phụ thuộc vào vec-tơ 
dòng đầu vào đang ở đâu trong 6 sec-tơ trên 
hình 5.b. Có thể thấy rõ điều này qua biểu diễn 
hình 5.b nhưng trải đồ thị vec-tơ quay trên hình 
5.b thành đồ thị chữ nhật như hình 6. Ví dụ, 
véc-tơ 1 (hình 5.a) theo bảng 2 có thể tương 
ứng với các véc-tơ 1±, 2± và 3±. Khi đó nếu 
véc-tơ dòng điện đầu vào đang nằm trong séc-
tơ SI thì véc-tơ 1 có thể được chọn tương ứng 
với một trong 4 véc-tơ 1+, 3-, và 2+, 2-. Theo 
hình 6, vec-tơ 1+ có độ dài 2/3uab, 3- có độ dài 
2/3uac, 2+ dài 2/3ubc, 2- dài 2/3ucb. Như vậy 1+, 
3- gọi là vec-tơ lớn, 2+, 2- gọi là vec-tơ nhỏ. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
43 
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
-600
-400
-200
0
200
400
600
t (s)
In
p
u
t 
L
in
e
 V
o
lt
a
g
e
s
 (
V
)
S12 S1 S3S2 S6 S7S5S4 S10 S11S9S8
SI
ab ac bc ba ca cb ab
SII SIII SIV SV SVI
Hình 6. Điện áp dây đầu vào MC. 
2.2 Xây dựng bảng chọn véc-tơ chuẩn 
Trong MC có thể lựa chọn vec-tơ có độ dài 
phù hợp theo biên độ thay đổi của mô men, 
được phát hiện chính xác hơn nhờ bộ so sánh 
5 ngưỡng, cho trên hình 7. Bảng lựa chọn véc-
tơ cho phương án DTC-MC tiên tiến được xây 
dựng như trong bảng 4. Bảng 4 chỉ rõ với biên 
độ mô men thay đổi lớn (ST=±2) cần chọn áp 
đặt vec-tơ lớn (ul), với biên độ nhỏ (ST=±1) 
chọn vec-tơ nhỏ (us), với ST=0 chọn vec-tơ 
không 0. Ví dụ, nếu véc-tơ lớn 1l được chọn, 
giả sử véc-tơ dòng điện đầu vào đang ở séc-tơ 
SI, để giảm góc i thì chọn 3-, để tăng góc thì 
chọn 1+. 1+, 3- đều là vec-tơ lớn trong sec-tơ 
SI. 
0
ST
ETeT2eT1-eT1-eT2
2
1
-1
-2
Hình 7. Khâu so sánh 5 ngưỡng. 
Với vector nhỏ ta sẽ cần làm rõ hơn một 
số chi tiết. Trên hình 5.b phải chia séc-tơ dòng 
điện đầu vào thành 12 séc-tơ S1-S12. Trong 
mỗi séc-tơ này chỉ có một véc-tơ nhỏ sẵn có để 
làm tăng hoặc giảm góc i , véc-tơ nhỏ còn lại 
được tạo bằng ½ véc-tơ lớn trong cùng séc-tơ 
(được thực hiện bằng phần mềm). Ví dụ nếu 1s 
được chọn và véc-tơ dòng điện đầu vào đang 
nằm trong S1 thì véc-tơ 2+ làm giảm i và ½ 
1+ làm tăng i . Tương tự cho các trường hợp 
khác, ta được bảng 5 là bảng chọn véc-tơ 
chuẩn, chi tiết hóa bảng 4. 
2.3 Mô phỏng 
Mô hình mô phỏng đã được xây dựng trên 
Matlab/Simulink cho cả hai cấu trúc DTC-MC 
cơ bản và DTC-MC tiên tiến. Các kết quả đáp 
ứng mô-men cho DTC-MC cơ bản thể hiện trên 
hình 9, của DTC-MC tiên tiến cho trên hình 
10. Theo đó DTC-MC tiên tiến thể hiện độ đập 
mạch mô-men ít hơn hẳn. 
Bảng 4. Bảng chọn véc-tơ trong DTC-MC. 
 Sector v0 
 S 
I 
S 
II 
S 
III 
S 
IV 
S 
V 
S 
VI 
SF =1 
ST=2 2l 3l 4l 5l 6l 1l 
ST=1 2s 3s 4s 5s 6s 1s 
ST=0 0 0 0 0 0 0 
ST=-1 6s 1s 2s 3s 4s 5s 
ST=-2 6l 1l 2l 3l 4l 5l 
SF =-1 
ST=2 3l 4l 5l 6l 1l 2l 
ST=1 3s 4s 5s 6s 1s 2s 
ST=0 0 0 0 0 0 0 
ST=-1 5s 6s 1s 2s 3s 4s 
ST=-2 5l 6l 1l 2l 3l 4l 
 Bảng 5. Bảng chọn các véc-tơ chuẩn đảm bảo 
sin(i) = 0. 
Sector điện áp đầu vào MC 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 
c 
+ + + + + + + + + + + + 
- - - - - - - - - - - - 
1l 
-3 2 2 -1 -1 3 3 -2 -2 1 1 -3 
1 -3 -3 2 2 -1 -1 3 3 -2 -2 1 
1s 
2 ½ -1 ½ 3 ½ -2 ½ 1 ½ -3 ½ 
½ 1 ½ -3 ½ 2 ½ -1 ½ 3 ½ -2 
2l 
9 -8 -8 7 7 -9 -9 8 8 -7 -7 9 
-7 9 9 -8 -8 7 7 -9 -9 8 8 -7 
2s 
-8 ½ 7 ½ -9 ½ 8 ½ -7 ½ 9 ½ 
½ -7 ½ 9 ½ -8 ½ 7 ½ -9 ½ 8 
3l -6 5 5 -4 -4 6 6 -5 -5 4 4 -6 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
44 
4 -6 -6 5 5 -4 -4 6 6 -5 -5 4 
3s 
5 ½ -4 ½ 6 ½ -5 ½ 4 ½ -6 ½ 
½ 4 ½ -6 ½ 5 ½ -4 ½ 6 ½ -5 
4l 
3 -2 -2 1 1 -3 -3 2 2 -1 -1 3 
-1 3 3 -2 -2 1 1 -3 -3 2 2 -1 
4s 
-2 ½ 1 ½ -3 ½ 2 ½ -1 ½ 3 ½ 
½ -1 ½ 3 ½ -2 ½ 1 ½ -3 ½ 2 
5l 
-9 8 8 -7 -7 9 9 -8 -8 7 7 -9 
7 -9 -9 8 8 -7 -7 9 9 -8 -8 7 
5s 
8 ½ -7 ½ 9 ½ -8 ½ 7 ½ -9 ½ 
½ 7 ½ -9 ½ 8 ½ -7 ½ 9 ½ -8 
6l 
6 -5 -5 4 4 -6 -6 5 5 -4 -4 6 
-4 6 6 -5 -5 4 4 -6 -6 5 5 -4 
6s 
-5 ½ 4 ½ -6 ½ 5 ½ -4 ½ 6 ½ 
½ -4 ½ 6 ½ -5 ½ 4 ½ -6 ½ 5 
III. CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 
 Mô hình thiết bị thí nghiệm MC – DTC 
tiên tiến cho trên hình 11. Các kết quả ghi nhận 
được thể hiện trên các hình 12, 13 đã cho thấy 
đáp ứng tốt của mô-men động cơ ở chế độ ổn 
định và quá độ (đảo chiều mô-men), dòng điện 
và điện áp pha đầu vào MC trùng pha. 
Hình 9. Đáp ứng mô-men động cơ Tm[N.m] 
Với cấu trúc DTC-MC cơ bản, T=50µs. 
Hình 10. Đáp ứng mô-men động cơ Tm[N.m] 
Với cấu trúc DTC-MC tiên tiến, T=50µs. 
Hình 11. Cấu trúc DTC-MC thí nghiệm. 
IV. KẾT LUẬN 
Cấu trúc điều khiển tiên tiến DTC – MC 
với khâu so sánh năm ngưỡng cho phép tận 
dụng tối đa các véc-tơ điện áp chuẩn, đảm bảo 
độ đập mạch mô men nhỏ, đặc biệt khi động cơ 
làm việc ở vùng tốc độ thấp. Cấu trúc này đã 
được thử nghiệm trên hệ xử lý tín hiệu số hiện 
hành nên hoàn toàn có thể triển khai ra ứng 
dụng thực tế. 
Hình 12. Mô-men điện, dòng điện đầu ra MC 
và dòng điện/điện áp pha đầu vào MC ổn định. 
Hình 13. Mô-men điện từ, dòng điện đầu ra MC 
khi đảo chiều mô-men. 
 ISA 
DSP 
CPLD 
u
a 
ub 
MC 
Power 
~ 
Driver 
E 
IGBT: 
1MBH25D-120 
Filter: 0.5mH, 
3.3uF 
2.5 kW, 
1420 rpm 
380V, 5A, 
p = 2 
7.5 kW, 
2000 rpm 
400V, 
32A 
iA iB 
MENTOR 
IIR 
~ 3 pha, 
380V/50Hz 
~ 3 pha, 
380V/50Hz 
IM 
M= 
PC 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
45 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Bùi Quốc Khánh, Trần Trọng Minh; Đảm bảo chất lượng dòng đầu vào của Matrix Converter 
trong điều kiện điện áp lưới mất cân bằng; Tạp chí Khoa học & Công nghệ các trường ĐHKT, số 
57, (2006). 
2. Trần Trọng Minh; Nghiên cứu xây dựng biến tần kiểu ma trận; Luận văn Tiến sỹ kỹ thuật, ĐHBK 
Hà nội, (tháng 6/2007). 
3. Casadei D., Serra G., Tani A.; The Use of Matrix Converters in Direct Torque Control of 
Induction Machines; Industrial Electronics. IEEE Trans. on, volume: 48 Issue: 6, Page(s): 1057 – 
1064, (Nov 2000). 
4. Casadei D., Serra G., Tani A., Zarri L.; Matrix Converter Modulation Stragies: A New General 
Approach Basedd on Space Vector Representation of the Switchstate; Industrial Electronics, 
IEEE Trans. on, volume: 49 Issue: 2, Page(s): 370 – 381, (Feb 2002). 
Địa chỉ liên hệ: Trần Trọng Minh - Tel: 0903.432.245, E-mail: minhtrantrong@mail.hut.edu.vn. 
 Trung tâm Nghiên cứu và triển khai công nghệ cao 
 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Số 1, Đại Cồ Việt, Hà Nội