Mô hình hóa và mô phỏng điều khiển hướng trường FOC cho động cơ cảm ứng ba pha bằng Simulink

Đào Tăng Tín

doi:10.59294/HIUJS2026045

Từ khóa:

FOC, động cơ không đồng bộ, Simulink, điều khiển vector

Tóm tắt

Bài báo nghiên cứu việc mô hình hóa và mô phỏng hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng phương pháp điều khiển định hướng trường (Field-Oriented Control - FOC) được xây dựng hoàn toàn từ các khối chức năng cơ bản trong Simulink, không sử dụng các thư viện chuyên dụng như SimPowerSystems. Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển mô hình ở mức thành phần nhằm làm rõ cấu trúc và nguyên lý hoạt động của FOC. Mô hình được áp dụng cho động cơ 50 HP, 460 V, 4 cực, 60 Hz, bao gồm nghịch lưu nguồn áp ba pha, bộ điều chế vector không gian (SVPWM), các phép biến đổi Clarke-Park và nghịch đảo, cùng các bộ điều khiển dòng và tốc độ PI. Kết quả mô phỏng thể hiện đáp ứng động của hệ thống trong quá trình khởi động, trạng thái xác lập và khi thay đổi tốc độ đặt hoặc mô-men tải. Các kết quả thu được xác nhận tính đúng đắn của mô hình và cho thấy ưu điểm của FOC với khả năng điều khiển mô-men nhanh, độc lập và hiệu suất cao trong dải tốc độ rộng.

Abstract

This paper investigates the modeling and simulation of a three-phase induction motor drive system using Field-Oriented Control (FOC), developed entirely from fundamental functional blocks in Simulink without relying on specialized libraries such as SimPowerSystems. The objective of this study is to construct a component-level model to clearly illustrate the structure and operating principles of the FOC scheme. The proposed model is implemented for a 50 HP, 460 V, four-pole, 60 Hz induction motor and incorporates a three-phase voltage-source inverter, space vector pulse-width modulation (SVPWM), Clarke-Park and inverse transformations, as well as PI-based current and speed controllers. Simulation results demonstrate the dynamic performance of the system during startup, steady-state operation, and under variations in speed reference and load torque. The obtained results validate the accuracy of the developed model and highlight the advantages of FOC in terms of fast and decoupled torque control, as well as high efficiency over a wide speed range.

Tài liệu tham khảo

[1] D. W. Novotny and T. A. Lipo, Vector Control and Dynamics of AC Drives. Oxford, UK: Oxford University Press, 1996.

[2] R. Ramanujam, Modeling and Analysis of Electrical Machines. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2019.

[3] S. G. Kumar, M. R. Abarca, and S. K. Pattanaik, Power Converters, Drives and Controls for Sustainable Operations. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2023.

[4] P. Stumpf and T. Tóth-Katona, “Recent achievements in the control of interior permanent-magnet synchronous machine drives: A comprehensive overview of the state of the art,” Energies, vol. 16, no. 13, p. 5103, 2023, doi: 10.3390/en16135103.

DOI: https://doi.org/10.3390/en16135103

[5] C. Miguel-Espinar, D. Heredero-Peris, R. VillafafilaRobles, and D. Montesinos-Miracle, “Review of fluxweakening algorithms to extend the speed range in electric vehicle applications with permanent magnet synchronous machines,” IEEE Access, vol. 11, pp. 1- 18, 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3252360.

DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3252360

[6] I. Boldea, L. N. Tutelea, and A. A. Popa, “Reluctance synchronous and flux-modulation machine designs: Recent progress,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 10, no. 3, pp. 1-12, 2021, doi: 10.1109/JESTPE.2021.3133129.

DOI: https://doi.org/10.1109/JESTPE.2021.3133129

[7] W. Wang, C. Liu, H. Zhao, and Z. Song, “Improved deadbeat-direct torque and flux control for PMSM with less computation and enhanced robustness,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 69, no. 8, pp. 1-11, 2022, doi: 10.1109/TIE.2022.3170619.

[8] A. von Jouanne, E. Agamloh, and A. Yokochi, “A review of matrix converters in motor drive applications,” Energies, vol. 18, no. 1, p. 164, 2025, doi: 10.3390/en18010164.

DOI: https://doi.org/10.3390/en18010164

[9] Z. Ben Mahmoud and A. Khedher, “A comprehensive review on space vector based PWM techniques for common mode voltage mitigation in photovoltaic multilevel inverters,” Energies, vol. 17, no. 4, p. 916, 2024, doi: 10.3390/en17040916. [10] V. Jayakumar, B. Chokkalingam, and J. L. Munda, “A comprehensive review on space vector modulation techniques for neutral point clamped multilevel inverters,” IEEE Access, vol. 9, pp. 1-20, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3100346.

[11] V. Jayakumar, B. Chokkalingam, and J. L. Munda, “Performance analysis of multi-carrier PWM and space vector modulation techniques for five-phase three-level neutral point clamped inverter,” IEEE Access, vol. 10, pp. 1-15, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3162616.

DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3162616

[12] D. Mohanraj, J. Gopalakrishnan, B. Chokkalingam, and L. Mihet-Popa, “Critical aspects of electric motor drive controllers and mitigation of torque ripple: A review,” IEEE Access, vol. 10, pp. 1-22, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3187515. [13] H. Abu-Rub, A. Iqbal, and J. Guzinski, High Performance Control of AC Drives with MATLAB/Simulink. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2021. [14] S. K. Singh and A. Tripathi, “Synchronized sine-triangle PWM based control of high-speed PMSM drive with reduced switching losses and enhanced performance,” in Proc. IEEE Delhi Section Conf. (DELCON), 2022, pp. 1-6, doi: 10.1109/DELCON54057.2022.9753230.

DOI: https://doi.org/10.1109/DELCON54057.2022.9753230