Điều khiển cực tiểu hóa độ nhấp nhô mômen cho động cơ từ trở thay đổi

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) 
SỐ 7 - 2014 
1 
ĐIỀU KHIỂN CỰC TIỂU HÓA ĐỘ NHẤP NHÔ MÔMEN 
CHO ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI 
TORQUE-RIPPLE MINIMIZATION IN SWITCHED RELUCTANCE MOTORS 
 Lê Quốc Dũng 
 Trường Đại học Điện lực 
Tóm tắt: Với các đặc tính vốn có như cấu tạo đơn giản, không cổ góp, giá thành 
thấp, động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor - SRM) là một 
sự lựa chọn khả thi cho các ứng dụng phổ biến có đòi hỏi điều chỉnh tốc 
độ. Nhược điểm chính của SRM là sự nhấp nhô mômen cao hơn khi so 
sánh với các động cơ thông thường, điều đó đã tạo ra độ ồn và độ rung. 
Nguồn gốc của sự nhấp nhô mômen trong SRM là vì nó có đặc tính sinh 
mômen phi tuyến cao và rời rạc. Bài báo này sẽ đưa ra một phương pháp 
điều khiển điện tử để cực tiểu hóa độ nhấp nhô mômen cho SRM ở chế độ 
hoạt động tốc độ thấp. Độ nhấp nhô mômen trong suốt quá trình chuyển 
mạch sẽ được cực tiểu hóa bằng cách cho hai pha đồng dẫn và cùng sinh 
mômen trong vùng được xác định trước. 
Từ khóa: Động cơ từ trở, SRM, cực tiểu hoá mômen, nhấp nhô mômen. 
Abstract: Switched reluctance motor (SRM) is a new candidate for various general-
purpose adjustable-speed applications thanks to its inherent attributes 
such as simplicity, ruggedness, and low cost. The primary disadvantage of 
a SRM is its higher torque-ripple, which contributes to acoustic noise and 
vibration in comparison with conventional machines. The origin of torque 
pulsations in a SRM is due to the highly non-linear and discrete nature of 
torque production mechanism. This paper presents an electronic control 
method for torque-ripple minimization in low-speed operation mode. The 
torque pulsations during commutation are minimized by simultaneous 
conduction of two positive torque producing phases over an extended 
predefined region. 
Keywords: Switched reluctance motors, SRM, torque-ripple minimization, torque-
ripple. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Động cơ từ trở thay đổi (SRM) là loại 
động cơ điện được biết đến từ những 
năm 1890. Tuy nhiên ngay từ khi mới 
ra đời, SRM không được quan tâm phát 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) 
SỐ 7 - 2014 
2 
triển do có những nhược điểm như: độ 
nhấp nhô mô men lớn, gây ra nhiều 
tiếng ồn, khó thực hiện việc điều 
khiển Những năm gần đây, do công 
nghệ bán dẫn và vi điều khiển phát 
triển, thu được nhiều tiến bộ đáng kể 
thì người ta mới bắt đầu quan tâm trở 
lại với động cơ này. Hiện nay, SRM 
được nhiều kỹ sư và nhà nghiên cứu 
trên thế giới rất quan tâm. 
2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ 
LÀM VIỆC CỦA SRM 
2.1. Cấu tạo 
Hình 1. Cấu tạo cắt ngang SRM 6/4 
Động cơ từ trở thay đổi có một số đặc 
điểm chính về cấu tạo như sau: 
· Cả rotor và stator đều có các cực lồi 
ra, do đó người ta còn gọi là động cơ 
lồi kép (double salient); 
· Stator của động cơ từ trở thay đổi 
có cấu tạo bởi nhiều cực từ chứa các 
cuộn dây tập trung. Rotor được chế tạo 
bằng vật liệu sắt từ có xẻ răng với tổng 
số răng bao giờ cũng ít hơn tổng số cực 
từ của stator; 
· Các cuộn dây trên các cực đối xứng 
xuyên tâm của stator được nối nối tiếp 
hoặc song song để tạo thành một pha 
của động cơ; 
· Cả stator và rotor đều được làm từ 
các lá thép mỏng ghép cách điện để hạn 
chế dòng Fuco; 
· Động cơ từ trở thay đổi có một số 
cấu hình phổ biến như sau: 8/6 (tức là 
stator có 8 cực lồi còn rotor có 6 răng 
(hình 1), 6/4,10/6,12/6, 
2.2. Nguyên lý hoạt động 
Trước khi đi vào tìm hiểu nguyên lý 
hoạt động của động cơ từ trở ta xem xét 
2 khái niệm quan trọng, đó là: 
· Vị trí đồng trục (Aligned position); 
· Vị trí lệch trục (Unaligned 
position). 
Như đã thể hiện trên hình 1, ta thấy khi 
hai cực lồi của stator và rotor nằm ở vị 
trí mà trục của chúng trùng nhau thì 
người ta gọi đó là “vị trí đồng trục” (vị 
trí mà độ từ cảm sinh ra giữa cực từ của 
stator và răng của rotor là lớn nhất), 
còn khi hai cực của stator và rotor nằm 
lệch nhau hoàn toàn và không có phần 
thiết diện nào chồng lên nhau thì gọi đó 
là “vị trí lệch trục” (vị trí mà độ từ cảm 
giữa cực từ của stator và rotor là bé 
nhất). 
Hình 2. Nguyên lí hoạt động 
Lấy ví dụ là động cơ từ trở thay đổi 6/4 
(như hình 2) ta tìm hiểu cách hoạt động 
của động cơ này. Giả sử các cực r1 và 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) 
SỐ 7 - 2014 
3 
r1’ của rotor và cực c, c’ của stator đang 
ở vị trí đồng trục (hình 2a). Trước tiên 
ta đưa dòng điện kích thích vào cuộn 
dây pha A, dòng điện này sẽ sinh ra 
một từ thông móc vòng qua các cực a 
và a’ và các cực r2 và r2’ của rotor một 
cách tương ứng. 
Do rotor luôn có xu hướng quay về 
phía mà độ tự cảm lớn nhất hay từ trở 
nhỏ nhất nên rotor lúc này sẽ quay 
hướng đến vị trí đồng trục của a, a’ và 
r2, r2’. Khi chúng đã ở vị trí này thì 
dòng điện kích thích pha A bị ngắt và 
vị trí các cực như thấy ở hình 2b. Bây 
giờ ta đưa dòng điện kích thích vào 
cuộn dây của pha B, dòng này lại sinh 
ra một từ thông móc vòng qua các cực 
b, b’ và r1, r1’ một cách tương ứng, 
rotor lại được kéo quay theo chiều kim 
đồng hồ đưa r1, r1’ hướng về vị trí 
thẳng hàng với b và b’. Khi đến vị trí 
này ta lại ngắt dòng cấp cho pha B. 
Tiếp tục chuyển sang cấp dòng cho pha 
C thì r2, r2’ lại quay theo chiều kim 
đồng hồ hướng về c, c’. Cứ như vậy 
bằng việc cấp dòng điện lần lượt cho 
từng pha theo thứ tự A B C ta sẽ làm 
động cơ quay theo chiều kim đồng hồ. 
Muốn đảo chiều quay của động cơ 
ta chỉ cần đảo thứ tự cấp dòng thành 
A C B. 
3. ƯU ĐIỂM CỦA SRM 
· Rotor không có cuộn dây, chổi than 
hay vành góp nên động cơ hoạt động 
rất bền vững, tuổi thọ cao; 
· Mômen khởi động lớn hơn nhiều so 
với các loại động cơ không đồng bộ; 
· Độ tin cậy cao, vùng tốc độ rộng 
với công suất là hằng số, giá thành sản 
xuất thấp, đáp ứng động học nhanh; 
· Không có hiện tượng quá dòng làm 
hỏng các van công suất do tốc độ tăng 
dòng cao; 
· Do không có nam châm vĩnh cửu 
nên nhiệt độ cho phép của rotor cao 
hơn động cơ đồng bộ. 
4. NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN 
Do chiều quay của động cơ phụ thuộc 
vào thứ tự phát xung, do đó chế độ làm 
việc của động cơ sẽ được quyết định 
bởi dấu của mômen. Giả sử động cơ là 
tuyến tính lúc đó ta có phương trình 
của mômen: 
 2
1
2
dL
T i
d
= 
Từ phương trình trên ta dễ dàng nhận 
thấy rằng dấu của mômen phụ thuộc 
vào đại lượng 
dL
d
. Đối với động cơ từ 
trở loại 8/6 có đặc tính điện cảm như 
hình 3. Dựa vào hình 3 ta thấy đặc tính 
điện cảm tăng trong vùng 30 ,0o oé ù-ë û , 
như vậy khi phát xung dòng điện trong 
khoảng này thì mômen sinh ra sẽ mang 
dấu dương. Giá trị trung bình của 
mômen có thể thay đổi bằng cách thay 
đổi độ lớn dòng điện chạy qua cuộn 
dây Ip hoặc là thay đổi góc dẫn của một 
pha d . Để đơn giản trong việc điều 
khiển cũng như nâng cao chất lượng 
điều khiển ta nên giữ góc dẫn d là 
hằng số và thay đổi độ lớn dòng của 
pha. Điều này dẫn đến yêu cầu bộ điều 
khiển dòng điện cần bám theo tín hiệu 
đặt một cách nhanh chóng, tránh rơi 
vào vùng sinh mômen âm. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) 
SỐ 7 - 2014 
4 
pI
2
2
pIdL
d
pI
d
2
2
pIdL
d
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý điều khiển cơ bản 
cho động cơ từ trở 
Với nhược điểm là độ nhấp nhô mômen 
khá lớn đã ngăn cản việc ứng dụng của 
SRM vào thực tế. Để giảm độ nhấp nhô 
mômen, trong khoảng thời gian chuyển 
mạch, thay vì chỉ kích thích một pha ta 
sẽ kích thích trên hai pha để tránh việc 
tăng và giảm dòng một cách đột ngột. 
Nếu gọi pha chuẩn bị ngừng dẫn là x, 
pha chuẩn bị dẫn là y thì mômen điện 
từ mà động cơ sinh ra là: 
 * * *e x yT T T= 
trong đó: 
 * * * *( ), ( )x e x y e yT T f T T f = = 
với ( )xf  , ( )yf  là các hàm phân phối 
mômen của pha x và pha y. Đó chính là 
các hàm của vị trí rotor. Từ lượng đặt 
mômen cho các pha x và pha y, ta tìm 
được lượng đặt dòng điện cho các pha 
tương ứng. 
Lượng đặt dòng điện tính theo công 
thức: 
* ( , )
( , )
j j
j
j
T i
i
f i


= 
với 
**
0 30
2
( , ) ( ( ) )sin ( 1)
4
o o
r
j j r
r
N
f i L i L N j
NN
 
é 
=- - - -ê 
ê ë
** **
0 30 15
2
( ( ) 2 ( ))sin 2 ( 1)o o oj j r
r
L i L L i N j
NN

ù 
 - - - - ú 
ú û
Để xác định mômen cần thiết sinh ra ở 
mỗi pha ta dựa vào công thức: 
1 1
( )
N N
j j ref
j j
T T f T
= =
= =  
Trong đó ( )jf  là các hàm phân phối 
mômen cho pha j tại vị trí rotor  và 
refT là mômen đầu ra mong muốn. Các 
hàm phân phối mômen tìm ra phải thỏa 
mãn các điều kiện sau trong giai đoạn 
chuyển mạch: 
* 
4
1
( ) 1j
j
f 
=
= 
* ( )
3
j jf f
 
= 
* ( ) ( )
12
j kf f j k
 
= - - 
Có rất nhiều hàm thỏa mãn yêu cầu 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) 
SỐ 7 - 2014 
5 
trên, tác giả xin trình bày một phương 
pháp chọn hàm như sau: Đối với động 
cơ từ trở 8/6 khoảng đặc tính điện cảm 
tăng và giảm của mỗi pha trong khoảng 
/ 6 . Do đó ta chọn góc dẫn của một 
pha là / 8 . Điều đó có nghĩa là: 
/ 8off on  - = , trong đó on và off lần 
lượt là các góc mở và góc dẫn đối với 
một pha. Khoảng hai pha cùng dẫn 
dòng là / 24 . Trong suốt khoảng hai 
pha cùng dẫn, mômen tổng được phân 
phối đến hai pha theo hàm cos của vị trí 
rotor. Cụ thể đối với pha j như sau: 
, , ,
, ,
, , ,
0.5 0.5cos24( ) / 24
1 / 24 / 24
( )
0.5 0.5cos24( / 24) / 24
0
on j on j on j
on j off j
j
on j off j off j
f
other
     
   

    
- - ì
 - 
=í
 - - - 
 î
Góc on , off cho pha A ở các góc phần 
tư được cho bởi bảng 1. 
*
eT

0
i f
*
xT *yT
Hình 4. Phương pháp giảm nhấp nhô 
mômen sử dụng hai pha cùng dẫn 
Bảng 1. Góc đóng mở cho pha A 
 I II III IV 
,on A -30
o 5o 7.5o -27.5o 
,off A -7.5
o 27.5o 30o -5o 
Góc đóng mở cho các pha kế tiếp nhận 
được bằng cách dịch pha đi một góc 
/12 . 
Phương pháp dẫn dòng trên hai pha để 
sinh ra mômen trên cả hai pha là một 
phương pháp rất quan trọng giảm độ 
nhấp nhô mômen. Ở đây, hàm phân 
phối mômen trong mỗi pha dựa theo vị 
trí rotor và góc đóng/mở đặt trước. Do 
đó từ giá trị mômen đặt, hàm sẽ phân 
phối thành các mômen cho từng pha tại 
từng thời điểm thích hợp. Từ giá trị 
mômen cho từng pha đó, dựa vào đặc 
tính điện cảm của động cơ mà ta tính ra 
giá trị dòng điện thích hợp để đưa vào 
bộ biến đổi để tạo tín hiệu phát xung 
nhằm duy trì dòng điện theo giá trị 
mong muốn. 
 Hình 5. Phân phối mômen 
cho chế độ động cơ quay thuận
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) 
SỐ 7 - 2014 
6 
5. KẾT QUẢ KIỂM CHỨNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK 
TRƯỚC VÀ SAU KHI ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHẤP NHÔ 
MÔMEN 
5.1. Mômen các pha 
 Hình 6. Mômen các pha khi chưa áp dụng phương pháp giảm nhấp nhô mômen 
Hình 7. Mômen các pha khi áp dụng phương pháp giảm nhấp nhô mômen 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) 
SỐ 7 - 2014 
7 
5.2. Mômen tổng các pha 
Hình 8. Mômen tổng các pha khi chưa áp dụng phương pháp giảm nhấp nhô mômen 
Hình 9. Mômen tổng các pha khi áp dụng phương pháp giảm nhấp nhô mômen 
Kết quả mô phỏng đã kiểm chứng lại 
một lần nữa các thuật toán đặt ra ở trên 
là hoàn toàn chính xác. Mômen tổng 
các pha khi áp dụng phương pháp giảm 
nhấp nhô mômen đã đạt tới độ bằng 
phẳng nhất định. Với đáp ứng như trên, 
động cơ từ trở hoàn toàn thích hợp để 
có thể sử dụng trong các ứng dụng 
công nghiệp hoặc dân dụng. 
Thông số động cơ khi mô phỏng như 
sau: 
· Tốc độ đặt: 100 rad/s; 
· Mômen giới hạn của động cơ: 
10 Nm; 
· Dòng điện giới hạn: 22 A; 
· Điện áp một chiều: 400 V; 
· Thời gian đáp ứng: 0.5 s; 
· Mômen tải: 5 Nm. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) 
SỐ 7 - 2014 
8 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] R. Krishnan. Swiched Reluctance Motor Driver Modeling, Simulation, Analysis, 
Design, and Application - CRC Press LLC - 2001. 
[2] Iqbal Husain , M. Ehsani. Torque Ripple Minimization in Switched Reluctance Motor 
Drives by PWM Current Control - IEEE transactions on power electronics, vol.11, 
No 1, January 1996. 
[3] Lu Wenzhe. Modeling and Control of Switched Reluctance Machines for Electro-
Mechanical Brake Systems - The Ohio State University - 2005. 
[4] Mohamad S.Islam, Iqbal Hussain, Robert J.Viellette, and Celal Batur. Design and 
performance Analysis of sliding - mode observers for sensorless operation of 
switched reluctance motors - IEEE transation on control system technology, vol 
11- 2003. 
[5] Iqbal Hussain, Sameer Sodhi, Mehradad Ehsani. A sliding mode observer based 
controller for switched reluctance motor drivers - Texas A&M University - 1997. 
[6] J.E. Slotine, J.K. Hedrick and E.A. Miasawa. On sliding obsercers for nonlinear 
system, ASEM J Dun,Syst vol 19 - 1987. 
[7] Sayeed Mir, Member, IEEE, Iqbal Husain, Member, IEEE, and Malik E. Elbuluk, 
Senior Member, IEEE. Switched Reluctance Motor Modeling with On-Line Parameter 
Identification, IEEE transation on industry application, Vol.34. No 4, July/August 
1998. 
[8] Iqbal Hussain, Member, IEEE, and Mehradad Ehsani, Senior Member, IEEE. Rotor 
Position Sensing in Switched Reluctance Motor Drives by Measuring Mutuallu 
Induced Voltages, IEEE transation on industry application, Vol.30. No 3, May/June 
1994. 
[9] Miller, T.J.E. McGilp, M. Dept. of Electron. & Electr. Eng., Glasgow Univ. Nonlinear 
theory of the switched reluctance motor for rapidcomputer-aided design, Electric 
Power Applications, IEE Proceedings B, November 1990. 
[10] Lawrenson, P.J. Stephenson, J.M. Fulton, N.N. Blenkinsop, P.T. Corda, J. University 
of Leeds, Department of Electrical and Electronic Engineering, Leeds, UK. Variable-
speed switched reluctance motors, Electric Power Applications, IEE Proceedings B, 
July 1980. 
[11] Rahman, K.M. Fahimi, B. Suresh, G. Rajarathnam, A.V. Ehsani, M. Dept. of Electr. 
Eng., Texas A&M Univ., College Station, TX. Advantages of switched reluctance 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG (ISSN: 1859 – 4557) 
SỐ 7 - 2014 
9 
motor applications to EV and HEV:design and control issues , Industry Applications 
Conference, 1998. Thirty-Third IAS Annual Meeting. The 1998 IEEE, 12-15 
Oct 1998. 
[12] Cheok, A.D. Fukuda, Y. Dept. of Electr. & Comput. Eng., Nat. Univ. of Singapore. A 
new torque and flux control method for switched reluctance motordrives , Power 
Electronics, IEEE Transactions on Volume: 17, Issue: 4. 
[13] Bose, Bimal K. Miller, Timothy J. E. Szczesny, Paul M. Bicknell, William H.General 
Electric Research and Development Center, Building 37-380, 1 River Road, 
Schenectady, NY 12345. Microcomputer Control of Switched Reluctance Motor, 
Industry Applications, IEEE Transactions on July 1986 Volume: IA-22, Issue: 4. 
Giới thiệu tác giả: 
Tác giả Lê Quốc Dũng tốt nghiệp đại học Khoa Điện chuyên 
ngành tự động hóa năm 2007, nhận bằng cao học chuyên ngành 
tự động hóa năm 2009 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Từ 
năm 2007 đến nay tác giả là giảng viên Khoa Công nghệ tự động 
- Trường Đại học Điện lực.