Mô phỏng hệ nghịch lưu - Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng cảm biến đo góc resolver bằng PSIM

SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 55
MÔ PHỎNG HỆ NGHỊCH LƯU- ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 
NAM CHÂM VĨNH CỬU SỬ DỤNG CẢM BIẾN 
ĐO GÓC RESOLVER BẰNG PSIM 
SIMULATION OF INVERTER- PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR SYSTEM 
USING RESOLVER SENSOR BY PSIM 
Phạm Thị Thùy Linh 
TÓM TẮT 
Vị trí của roto rất cần thiết để thực hiện hệ thống điều khiển vector của động 
cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Trong bài báo này, trọng tâm nghiên cứu là 
sử dụng cảm biến đo góc resolver để phát hiện vị trí của roto. Các đặc tính nổi bật 
của cảm biến này là cấu trúc tin cậy và không nhạy với tiếng ồn. Thuật toán đo 
góc được đề xuất và phương pháp điều khiển vector của động cơ đồng bộ nam 
châm vĩnh cửu được thực hiện. Sơ đồ điều khiển nối cấp dòng điện và tốc độ được 
kiểm chứng bởi phần mềm PSIM, đã cho thấy hiệu quả tốt của phương pháp. 
Từ khóa: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, cảm biến đo góc, điều khiển 
vector. 
ABSTRACT 
The position of rotor is necessary for achieving the vector control system of 
Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM). The focus of this paper is using 
the resolver sensor to detect the rotor position of PMSM. The advantages of this 
sensor are its robust structure and noise insensitivity. The resolver algorithm is 
proposed and implemented in the vector control system of PMSM. The diagram 
of proposed current and speed control loop was verified by PSIM 
software,proving the effectiveness of this method. 
Keywords: PMSM, resolver sensor, vector control. 
Khoa ĐK&TĐH, Trường Đại học Điện lực 
Email: linhptt@epu.edu.vn 
Ngày nhận bài: 20/8/2018 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 21/10/2018 
Ngày chấp nhận đăng: 25/12/2018 
1. MỞ ĐẦU 
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (ĐBNCVC) được 
sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyền động điều 
chỉnh tốc độ. Các ứng dụng phổ biến nhất là hệ truyền 
động servo với dải điều chỉnh tốc độ rộng. So với động cơ 
không đồng bộ thì động cơ ĐBNCVC có mật độ công suất 
cao hơn khi cùng mức công suất là do không cần công suất 
stato cho việc sản sinh trường điện từ, dòng điện không tải 
bé, các đặc tính điều khiển ít nhạy với sự biến thiên thông 
số của động cơ. So với động cơ điện một chiều thì động cơ 
ĐBNCVC đơn giản hơn, dễ chế tạo, làm việc tin cậy, ít phải 
bảo dưỡng. Ngày nay, động cơ ĐBNCVC được thiết kế 
không chỉ với mục đích tăng công suất mà còn với mục 
đích giảm khối lượng thiết bị và giảm nhỏ mô men quán 
tính. Do mật độ công suất cao và kích thước động cơ nhỏ, 
trong những năm gần đây động cơ ĐBNCVC được phát 
triển như là một giải pháp ưu tiên để điều khiển tốc độ và vị 
trí của các máy công cụ, ô tô điện và robot. Trong điều 
khiển vector, vị trí chính xác từ cảm biến đo được yêu cầu 
để chuyển đổi các biến của hệ abc sang các biến của hệ dq 
trong khung tham chiếu tốc độ quay đồng bộ tương ứng 
với vecto từ thông roto. Cảm biến đo góc là một trong các 
cảm biến vị trí có thể đo vị trí của roto ban đầu ở điểm 
dừng. Đặc điểm này rất quan trọng đối với một hệ truyền 
động để có được mô men khởi động cực đại. 
Cảm biến đo góc làm việc rất bền vững đối với các va 
đập cơ khí và có thể thích nghi với điều kiện làm việc của 
môi trường như là những môi trường khắc nghiệt nhiệt độ 
làm việc cao [1]. Các tín hiệu đo không bị suy giảm khi 
truyền trong dây cáp dài. Thiết kế của cảm biến đo góc 
tương tự như máy biến áp. Có một cuộn dây xoay tương 
ứng như là cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây cố định tương 
ứng như cuộn dây thứ cấp. Cuộn dây sơ cấp được áp bởi tín 
hiệu điện áp xoay chiều sin tần số cao đến cỡ kHz. Hai cuộn 
dây thứ cấp được đặt trong stato lệch pha 90°. Khi mà roto 
quay, điện áp cảm ứng sẽ sinh ra trong các cuộn dây thứ 
cấp. Biên độ của các điện áp cảm ứng sin này được điều chế 
với vị trí của roto. Kĩ thuật giải điều chế phải được thiết kế 
để lấy được vị trí của roto, nó cần một hệ thống điều khiển 
tương đối phức tạp để giảm thiểu lỗi trong hệ thống. 
Trong bài báo này, góc quay của roto được tính toán 
bằng một vòng điều khiển kín có phản hồi. Sai lệch tín hiệu 
được chỉ dẫn bởi sự chênh lệch tín hiệu điều chế và tín hiệu 
kích từ đo được. Sau đó, sai lệch này sẽ được điều chỉnh bởi 
bộ điều chỉnh PI. Góc tính toán roto được đảm bảo bằng góc 
đo khi sai lệch bằng không mà không cần sử dụng các bộ 
lọc. Do đó hiện tượng trễ do lọc bị loại bỏ. Thuật toán đo góc 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 49.2018 56
KHOA HỌC
và các mạch vòng điều khiển dòng điện và tốc độ đề xuất 
được thực hiện và kiểm chứng bằng phần mềm PSIM. 
2. ĐỘNG CƠ ĐBNVVC VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC 
Động cơ ĐBNCVC là động cơ mà ở đó sử dụng nam 
châm vĩnh cửu để sinh ra từ trường trong khe hở không khí 
thay vì sử dụng nam châm điện. Mô hình toán học của 
động cơ ở trong hệ quy chiếu quay đồng bộ gắn với hướng 
từ thông roto có thể được thể hiện như sau [2]: 
 =  −  +


 
(1) 
 =  +  +


 
(2) 
 =  +  (3) 
 =  (4) 
 = 
3
2


2
 ( − ) 
(5) 
Trong đó Vd và id: điện áp và dòng điện stato trên trục d; 
Vq và iq: điện áp và dòng điện stato trên trục q; λd và λq: từ 
thông móc vòng stato trên các trục d,q; λm: từ thông nam 
châm vĩnh cửu móc vòng với stato; Me: mô men điện từ; ωr: 
vận tốc góc của roto; rs: điện trở stato; Lsd: tự cảm stato trục 
d; Lsq: tự cảm stato trục q; p: số cực. 
Khi dòng điện id được điều chỉnh về không, phương 
trình từ thông stato (3) và mô men (5) trở thành: 
 =  (6) 
 = 
3
2


2
 () 
(7) 
Từ đó cho thấy mô men điện từ được điều chỉnh bởi 
dòng diện iq, tương tự như vận hành của động cơ một chiều. 
3. CẢM BIẾN ĐO GÓC VÀ THUẬT TOÁN ĐO GÓC 
Cảm biến đo góc resolver là một loại máy đồng bộ từ 
trở trong đó từ trở là hàm của vị trí roto. Loại này thường có 
3 cuộn dây, trong đó một cuộn dây đặt trên roto làm 
nguồn kích từ để cấp một điện áp không đổi hình sin, các 
cuộn khác đặt trên stato được sử dụng để nhận biết vị trí ro 
to các cuộn dây này lệch pha nhau 90° trong không gian. 
Từ điện áp của hai cuộn dây, vị trí tuyệt đối của roto có thể 
xác định được [3,4]. 
Hình 1. Sơ đồ và các tín hiệu kích thích và điện áp đầu ra theo vị trí roto của 
cảm biến đo góc resolver 
Sơ đồ nguyên lý của cảm biến đo góc được chỉ ra ở hình 
1. Ba tín hiệu (kích từ, tín hiệu sin và cos) có được từ cảm 
biến đo góc. Tín hiệu kích từ sin U0 được đặt lên cuộn dây 
roto sẽ cảm ứng lên hai cuộn dây thứ cấp các điện áp U1 và 
U2. Các đầu ra của cảm biến đo góc bao gồm hai tín hiệu sin 
có biên độ được điều chế theo tín hiệu sin và cosin (U1 và 
U2) của vị trí roto ()[2]. 
Các phương trình của cuộn dây roto (U0) và cuộn dây 
stato (U1 và U2) như sau: 
U0 (t) = Û0.sinωref t (8) 
U1 (,t) = Û0.k.sin.sinωref t (9) 
U2 (,t) = Û0.k.cos.sinωref t (10) 
Trong đó, k: tỷ số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và cuộn 
thứ cấp của cảm biến đo góc; Û0: biên độ lớn nhất của tín 
hiệu kích từ; ωref: tần số (rad/s) của tín hiệu kích từ; : góc 
điện của roto (rad) = arctan (U1/U2) 
Thuật toán đo góc bao gồm giải điều chế và tính toán 
tốc độ/ vị trí được chỉ ở hình 2. Thuật toán cố gắng giảm 
thiểu sai số giữa góc quay roto đo được  và góc quay tính 
toán 1 bằng vòng điều khiển kín có phản hồi. Sai lệch tính 
toán được xây dựng dựa trên các phương trình sau đây: 
err = (Û0.sinωref t. cos1)(Û0.k.sin.sinωref t)- 
(Û0.sinωref t. sin1)(Û0.k.cos.sinωref t) 
(11) 
err = Û0 (t).(Û0.k.sinωref t)[sinθcosθ1-cosθsinθ1] (12) 
err = A.[sin(θ-1)] (13) 
A = U0(t).( Û0.k.sinωref t) (14) 
Sai số này được điều chỉnh về không bởi bộ điều chỉnh 
PI. Khâu tích phân được sử dụng để tăng độ phân giải của 
góc tính toán. Khi vòng điều chỉnh này được thực hiện thì 
góc tính toán 1 nằm trong khoảng 0-2π rad, bằng với góc 
quay thực tế . 
Hình 2. Thuật toán đo góc resolver 
4. TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ NGHỊCH LƯU VÀ 
ĐỘNG CƠ ĐBNCVC 
Mạch điều khiển gồm ba bộ điều chỉnh PI được thể hiện 
ở hình 3. Một bộ điều chỉnh tốc độ và hai bộ điều chỉnh 
dòng điện Id, Iq. Tốc độ đặt ωref được so sánh với tốc độ tính 
toán ωr có được từ sau khối tính toán Resolver, sai lệch tín 
hiệu eω được gửi đến bộ điều chỉnh PI. Bộ điều chỉnh này so 
sánh tốc độ tính toán với tốc độ tiêu chuẩn và đưa ra tín 
hiệu điều khiển mô men. Bởi vì mô men có liên quan đến 
tốc độ theo phương trình động học: 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 57


=
1

( − ) 
(15) 
Với J là mô men quán tính của động cơ và Mc là mô men 
cơ đặt lên tải. Và từ phương trình (7) ta tìm được mối liên hệ 
với dòng tiêu chuẩn Iq_ref. 
Hình 3. Sơ đồ tổng hợp các mạch vòng điều khiển hệ nghịch lưu - Động cơ 
ĐBNCVC 
Một bộ điều chỉnh PI khác được dùng để điều chỉnh 
thành phần d của dòng điện stato. Giá trị đặt Id_ref bằng 
không là do không có từ thông rò. Sai số của dòng điện Id, 
ed, là đầu vào của bộ điều chỉnh PI. Và một bộ điều chỉnh PI 
khác dùng để điều chỉnh thành phần q của dòng điện. Bù 
sai lệch trong các bộ điều chỉnh dòng Id, Iq tương thích với 
các phương trình (1) và (2) để đảm bảo hiệu quả của hệ 
thống. Đầu ra của bộ điều chỉnh PI, Vd_ref và Vq_ref đầu tiên 
được chuyển sang miền abc bằng biến đổi Park và biến đổi 
Clark. Sau đó các tín hiệu điện áp tiêu chuẩn đầu ra đó được 
gửi đến khối điều khiển PWM để tạo ra các tín hiệu điều 
khiển 6 van bán dẫn của nghịch lưu. 
Bảng 1. Các thông số của các mạch điều khiển 
Tên Kí hiệu Giá trị Đơn vị 
Tần số đóng/cắt fs 5000 Hz 
Điện áp một chiều DC bus Vdc 600 V 
Hệ số khuếch đại mạch điều chỉnh 
tốc độ 
Kp_w 0,05 
Hằng số thời gian mạch điều chỉnh 
tốc độ 
Ti_w 0,04 s 
Hệ số khuếch đại mạch điều chỉnh 
dòng điện Id 
Kp_id 10 
Hằng số thời gian mạch điều chỉnh 
dòng điện Id 
Ti_id 0,00005 s 
Hệ số khuếch đại mạch điều chỉnh 
dòng điện Id 
Kp_iq 10 
Hằng số thời gian mạch điều chỉnh 
dòng điện Iq 
Ti_iq 0,00005 s 
Dòng điện Id tiêu chuẩn Id_ref 0 A 
Tốc độ tiêu chuẩn ở thời điểm đầu ω_ref_0 170 Rad/s 
Thời gian đầu T0 0 s 
Tốc độ tiêu chuẩn ở thời điểm thứ hai ω_ref_1 100 Rad/s 
Thời gian thứ hai T1 0.6 s 
Tốc độ tiêu chuẩn ở thời điểm thứ ba ω_ref_2 200 Rad/s 
Thời gian thứ ba T2 1.2 s 
5. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 
Sơ đồ điều khiển vecto động cơ ĐBNCVC sử dụng 
cảm biến đo góc bao gồm 3 khối; mạch vòng điều khiển 
dòng điện và tốc độ, bộ phát xung điều khiển IGBT, 
thuật toán đo góc và hệ mạch lực gồm động cơ ĐBNCVC 
được cấp điện từ một bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha như 
mô tả ở hình 4. 
Hình 4. Mô hình tổng thể của hệ thống điều khiển và mạch lực động cơ 
ĐBNCVC sử dụng cảm biến đo góc Resolver mô phỏng bằng công cụ PSIM 
Các thông số của động cơ được mô tả trên hình 5. 
Ở đây tác giả mô phỏng ở chế độ tốc độ thay đổi, hai 
mức tốc độ được đưa vào qua một khối mức trong PSIM 
(ω_ref). Ban đầu tốc độ được cài đặt là 170 rad/s trong vòng 
0,6s, sau đó tốc độ giảm xuống 100rad/s trong vòng 0,6s 
tiếp theo và sau đó tăng trở lại về 170rad/s. Nhưng mô men 
của tải được giữ giá trị không đổi bằng 5 Nm trong khoảng 
thời gian mô phỏng. 
b
a
c
d
q
o
b
a
c
d
q
o
K
A
Isa
A
Isb
A
Isc
PMSM
T
Isa
Isb
Isc
Isa
Isb
Isc
tetateta
K
K
300
K
300
COS+
SIN+
cos sin
4
Cam bien do goc resolver
V
nr
wr
Vq_ref
Vd_refId
Iq
VId
VIq wr
sin
Teta
wr
cos
wr
teta
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 49.2018 58
KHOA HỌC
Hình 5. Các thông số cài đặt của động cơ ĐBNCVC 
Các mô hình mô phỏng mạch vòng điều khiển dòng 
điện và tốc độ sử dụng bộ điều chỉnh PI được trình bày ở 
hình 6. Còn thuật toán đo góc được mô phỏng ở hình 7. 
Hình 6. Mô hình khối mô phỏng mạch vòng điều khiển dòng điện và tốc độ 
Hình 7. Mô hình thuật toán đo góc mô phỏng trong PSIM 
6. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
Các tín hiệu ra sin và cosin của cảm biến resolver cũng 
như góc  tính toán có kết quả ở hình 8. Hai tín hiệu này 
lệch pha nhau 90°. Dòng điện 3 pha của stato tương ứng là 
Isa, Isb, Isc; dòng điện Id, Iq có kết quả ở hình 9. Hình 10 là 
zoom các dạng tín hiệu ở hình 9 để quan sát rõ được các 
thời điểm tốc độ thay đổi 0,6s và 1,2s. Và kết quả đáp ứng 
tốc độ được thể hiện ở hình 11. 
Hình 8. Các kết quả mô phỏng tín hiệu sin và cosin có được từ cảm biến đo 
góc và góc teta tính toán từ đầu ra của cảm biến Resolver 
Hình 9. Kết quả mô phỏng dòng điện 3 pha stato, dòng điện Id, Iq, tốc độ 
quay wr của động cơ ĐB NCVC 
Từ kết quả hình 9 ta thấy rằng, 
các dòng điện stato Isa, Isb, Isc có 
được từ sau biến đổi Park và Clark, 
bị méo dạng ở khoảng thời gian 
quá độ ban đầu, nhưng sau đó ở 
chế độ xác lập khi tốc độ đạt tốc độ 
tiêu chuẩn 170 rad/s thì các tín hiệu 
dòng điện này có dạng sin. Sau 0,6s 
khi tốc độ được điều khiên giảm 
xuống 100 rad/s thì méo dạng dòng 
điện xuất hiện trở lại do sai lệch tốc 
độ tăng, tuy nhiên chỉ sau 0,04s thì 
chế độ xác lập thiết lập trở lại. Ta 
cũng thấy là tần số dòng điện giảm 
khi tốc độ giảm mặc dù sau đó biên 
độ dòng điện trở lại bằng nhau khi tốc độ thay đổi ở hai 
mức. Đến thời điểm 1,2s khi tốc độ đặt tăng lên 200rad/s 
thì dòng điện bị méo và sau 0,02s thì chế độ xác lập đạt 
được dòng trở lại dạng sin, tần số dòng điện tăng lên 
nhưng biên độ thì không đổi. Thành phần dq của dòng 
điện được hiển thị ở hình 9 cho thấy, thành phần dòng điện 
PI
V
Iq_ref
V
Vq_ref
PI
PI
K
K
K
V
Vttr_ref
V Wr
V
Wr_ref
K
wr
wr
Iq
Id
Id
Iq
V
Vq_PI
V
Vq_FF
V
Vd_FF
VVd_PI VVd_ref
K
m
K
|x|
MUX
K|x|
K
cos
sin
wr
Teta
V wr_tinh_toan
V teta
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 59
d có giá trị xấp xỉ không theo như mạch điều khiển và dòng 
điện Iq có một vài biến dạng trong khoảng thời gian quá 
độ khi có sự thay đổi đột ngột về tốc độ như zoom chi tiết 
trên hình 10. 
Hinh 10. Zoom dòng điện 3 pha stato, dòng điện Id, Iq, tốc độ quay wr của 
động cơ ĐB NCVC và góc teta tính toán từ đầu ra của cảm biến Resolver 
Hình 11. Đáp ứng tốc độ của hệ truyền động nghịch lưu 3 pha - động cơ ĐB 
NCVC sử dụng cảm biến đo góc resolver 
Kết quả ở hình 11 là đáp ứng tốc độ vòng/phút (nr) và 
rad/s (S1.wr) của roto động cơ. Ta quan sát thấy rằng, thời 
gian khởi động cần 0,08s để động cơ đạt tốc độ mong 
muốn. Ở các trạng thái xác lập, thì tốc độ đo được gần như 
bằng tốc độ đặt. Từ các kết quả mô phỏng có được ở các 
hình 9 ÷ 11 thấy rằng mô hình mô phỏng có đáp ứng tốt về 
tốc độ khi tốc độ cài đặt giảm hay tăng thì hệ thống nhanh 
chóng đạt chế độ xác lập sau 0,02-0,04s. 
7. KẾT LUẬN 
Trong bài báo này, điều khiển vector được thực hiện 
trên hệ thống động cơ ĐBNCVC sử dụng cảm biến resolver, 
thuật toán đo góc đề xuất được kiểm chứng trong hệ điều 
khiển dòng điện - tốc độ động cơ ĐBNCVC. Hệ thống điều 
khiển sử dụng hệ nối cấp điều khiển kín có phản hồi dòng 
điện và tốc độ. Mô hình mô phỏng được xây dựng và các 
kết quả được giới thiệu. Theo kết quả mô phỏng thì thuật 
toán đo góc đã thực hiện tốt, sai lệch có được sau 0,04s là 
bằng 0, các tín hiệu dòng điện stato có dạng sin trong chế 
độ xác lập. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. B. Murray, Hare, and A. Hirao, 2002. “Resolver Position Sensing System 
With Integrated Fault Detection for Automotive Applications”. IEEE Proceedings in 
Sensors, Vol.2, pp.864-869.. 
[2]. Weera Kaewjinda, Mongkol Konghirun, 2007. “Vector Control Drive of 
Permanent Magnet Synchronous Motor Using Resolver Sensor”. ECTI transactions 
on electrical eng., electronics, and communications vol.5, no.1. 
[3]. Y. Zhao, C. Wei, Z. Zhang, and W. Qiao, 2013. “A Review on 
position/speed sensorless control for permanent-magnet synchronous machine-
based wind energy conversion systems”. IEEE Journal of Emerging and Selected 
Topics in Power Electronics, vol. 1, no. 4, pp.203-216. 
[4]. Amar Nath Tiwari, 2011. “Controller Design and Simulation of PMSM 
Drive”, International Journal of Engineering Science and Technology, Vol 3, No 4.