Nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ trên xe điện dẫn động cầu trước

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Nghiên cứu phương pháp điều khiển động xe điện dẫn động cầu trước NGUYỄN VĂN THÀNH Thanh.NV202891M@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự Động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Danh Huy Chữ ký GVHD Khoa: Trường: Tự động hóa Điện-Điện tử HÀ NỘI, 05/2023 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Văn Thành Đề tài luận văn: Nghiên cứu phương pháp điều khiển động xe dẫn động cầu trước Ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số SV: 20202891M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 28/04/2023 với nội dung sau: - Giải thích nghĩa chữ tiếng anh Hình 1.1, 1.6, 1.8, 1.9, 1.11, 1.13 Thống lại định dạng cho số thứ tự hình “Hình 1.1” thay “Hình 1.1.” bảng “Bảng 1.1” thay “Bảng 1.1.” Các Hình 1.11, 1.12, 1.13, 1.14, 1.15, 1.16 đến, tham chiếu phân tích kỹ phần chữ viết - Căn lề phải số công thức với lề trái phần chữ viết - Sửa số lỗi chế trang 4, 10, 21, 31, 40 phần tài liệu tham khảo - Bổ sung thứ nguyên phân tích kỹ kết mơ Chương Chương Ngày 17 tháng 05 năm 2023 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Nguyễn Danh Huy Nguyễn Văn Thành CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS Trần Trọng Minh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ khoa học “Nghiên cứu phương pháp điều khiển động xe điện dẫn động cầu trước” cơng trình tơi Đề tài thực hướng dẫn TS Nguyễn Danh Huy Các số liệu dùng mô chọn lọc, trích dẫn từ nguồn uy tín kết đạt hồn tồn trung thực Tơi tham khảo tài liệu danh mục “Tài liệu tham khảo” không chép từ tài liệu khác Trong trường hợp bị phát có chép, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm! NGƯỜI THỰC HIỆN NGUYỄN VĂN THÀNH ĐỀ TÀI LUẬN VĂN + Tên đề tài (tiếng Việt): Nghiên cứu phương pháp điều khiển động xe điện dẫn động cầu trước + Tên đề tài (tiếng Anh): Control strategies for front drive electric vehicles with in-wheel motors Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Lời cảm ơn Tôi xin gửi lời cảm ơn trân thành sâu sắc tới thầy TS Nguyễn Danh Huy hướng dẫn định hướng thực thiện đề tài luận văn Bên cạnh đó, tơi xin gửi lời cảm ơn tới thầy PGS TS Nguyễn Tùng Lâm em Nguyễn Đức Thịnh có góp ý sâu sắc giúp đỡ thời gian thực đề tài Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thầy/cô trường Điện-Điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội giảng dạy, bảo hỗ trợ nhiều trình học tập, nghiên cứu trường Tóm tắt nội dung luận văn Ngày này, xe điện, động in- wheel ngày ưa chuộng sử dụng rộng rãi đặc điểm ưu việt mô-men, hiệu suất hoạt động kích thước động Bên cạnh đó, hệ thống vi sai khí truyền thống khơng cịn phù hợp số hạn chế kích thước trọng lượng lớn tổn thất khí lớn q trình truyền động Do đó, đề tài tập trung nghiên cứu cấu trúc điều khiển động xe điện dẫn động độc lập hai bánh trước với động in-wheel IPMSM Đồng thời, vi sai điện tử EDS đề xuất nhằm thay cho hệ thống vi sai khí truyền thống, để phân phối mơ-men, tính tốn tốc độ đặt cho bánh xe phía trước xe di chuyển đường cong Tác giả sử dụng thuật tốn điều khiển tối ưu dịng điện đầu vào đáp ứng mô-men phụ tải MTPA kết hợp thuật tốn suy giảm từ thơng FW sở phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor FOC để xây dựng cấu trúc điều khiển cho động in-wheel IPMSM xe điện Bên cạnh đó, tác giả đề xuất quan sát nhiễu mô-men tải DOB để nâng cao chất lượng điều khiển động tải thay đổi Đề tài sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng, kiểm chứng hiệu cấu trúc điều khiển xe điện đề xuất với kịch xe thẳng xe di chuyển vào cung đường cong (rẽ trái rẽ phải) Kết mô thu phù hợp với thực tiễn có tính ứng dụng tốt Phương hướng phát triển đề tài nghiên cứu phương pháp điều khiển xe điện dẫn động độc lập bốn bánh sử dụng động in-wheel nhằm nâng cao tính ổn định, linh hoạt an toàn lái xe HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN CẤU TRÚC TRUYỀN ĐỘNG TRÊN XE ĐIỆN DẪN ĐỘNG CẦU TRƯỚC 1.1 Cấu trúc hệ thống truyền động cầu trước 1.2 Động sử dụng xe điện 1.2.1 Đặc điểm, yêu cầu động xe điện 1.2.2 Các loại động sử dụng cho ô tô điện 1.3 Giới thiệu động in-wheel 11 1.4 Cấu trúc phương pháp điều khiển động xe điện 14 1.4.1 Cấu trúc điều khiển 14 1.4.2 Các phương pháp điều khiển động IPMSM 17 a) Điều khiển vô hướng U/f 17 b) Điều khiển trực tiếp mô-men DTC 17 c) Điều khiển vector tựa từ thông rotor FOC 19 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ INWHEEL IPMSM PHÙ HỢP VỚI YÊU CẦU TRÊN XE ĐIỆN 21 2.1 Các vùng làm việc động IPMSM 21 2.1.1 Vùng mô-men không đổi 21 2.1.2 Vùng công suất không đổi 21 2.2 Mơ hình tốn học động IPMSM 22 2.3 Nguyên lý điều khiển MTPA FW 23 2.3.1 Khái niệm điều khiển MTPA 23 2.3.2 Giới hạn làm việc động 25 2.3.3 Thuật toán MTPA kết hợp FW cho điều khiển tốc độ động inwheel IPMSM 26 2.4 Thiết kế điều khiển 28 2.4.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện 28 2.4.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ 29 2.5 Thiết kế quan sát nhiễu mô-men tải DOB 30 2.6 Mô phần mềm Matlab 31 2.6.1 Thông số động 31 2.6.2 Thông số điều khiển 32 2.6.3 Kịch mô 33 2.6.4 Kết mô 34 2.6.5 Mô quan sát nhiễu DOB 44 CHƯƠNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN DẪN ĐỘNG CẦU TRƯỚC 46 3.1 Bộ vi sai điện tử EDS 46 3.1.1 Nguyên lý 46 3.1.2 Thiết kế vi sai điện tử EDS 47 3.1.3 Mô EDS 49 3.2 Mơ hình động lực học xe điện 51 3.3 Cấu trúc điều khiển xe điện dẫn động cầu trước 52 3.3.1 Mô điều khiển xe điện dẫn động cầu trước Matlab/Simulink 53 3.3.2 Kịch kết mô 55 CHƯƠNG KẾT LUẬN 61 4.1 Kết luận 61 4.2 Hướng phát triển luận văn tương lai 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 65 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng anh EDS Electronic Differential System Tiếng Việt Bộ vi sai điện tử Tối ưu dòng điện đầu vào đáp ứng MTPA Maximum Torque per Ampere mô-men phụ tải FW Field-Weakening Suy giảm từ thông FOC Field-Oriented Control Điều khiển tựa từ thông rotor DTC Direct Torque Moment Điều khiển mô-men trực tiếp EV Electric Vehicle Xe điện FWD Front-wheel drive Dẫn động cầu trước ICE Internal Combustion Engine Động đốt IM Induction Motor Động không đồng SynRM Synchronous Reluctance Motor Động từ trở đồng SRM Switched Reluctance Motor Động từ trở thay đổi BLDC Brushless Direct Current Động chiều không chổi than Interior Permanent Magnet Động đồng nam châm vĩnh IPMSM Synchronous Motor cửu cực chìm Khoảng cách từ tâm đến trục bánh sau (lr) 1.4 m Khoảng cách hai bánh xe (dr) 1.92 m Khoảng cách hai kingpin (K) 1.819 m Bán kính lốp xe (r) 0.43 m Bảng 3.4 Thông số động in-wheel IPMSM 100KW [16] Giá trị Đơn vị Độ tự cảm trục d (Ld) 0.17 mH Độ tự cảm trục q (Lq) 0.29 mH Từ thông nam châm vĩnh cửu (Wb) 0.071 Wb Điện trở cuộn dây stator( Rs) 0.0083 Ω Thơng số Số cực (Pn) Hình 3.7 Khối điều khiển động in-wheel 54 Hình 3.8 Khối vi sai điện tử EDS Hình 3.9 Cấu trúc mơ điều khiển xe điện Simulink 3.3.2 Kịch kết mô ❖ Kịch mô sau: + Xe thẳng với tốc độ đặt 50 (Km/h) + Xe rẽ trái lúc t=8 (s) thoát khỏi đường cong lúc t=10(s) + Xe rẽ phải lúc t=14 (s) thoát khỏi đường cong lúc t=16(s) 55 ❖ Kết mô Steering Angle (degree) -2 -4 -6 10 Time 12 14 16 18 20 Hình 3.10 Giá trị đặt góc đánh lái n_Wheel Lf n_Wheel Rf 350 300 n (r p m ) 250 200 150 100 50 0 10 12 14 16 18 20 Hình 3.11 Tốc độ bánh xe phía trước bên trái bên phải 56 20 15 Sai lệch (rpm) 10 -5 -10 -15 -20 -25 10 12 14 16 18 20 Hình 3.12 Sai lệch tốc độ hai bánh trước 100 V* V V ậ n t ố c xe ( k m / h ) 80 60 40 20 0 10 12 14 16 18 20 Hình 3.13 Vận tốc xe đặt vận tốc thực xe 57 80 Me_Lf Me_Rf 70 M e ( N m) 60 50 40 30 20 10 0 10 12 14 16 18 20 Hình 3.14 Đáp ứng mơ-men động in-wheel bánh trái phải phía trước 60 Troll Taero Tslope Moment tải thành phần (Nm) 50 40 30 20 10 0 10 12 14 16 18 20 Hình 3.15 Các thành phần mô-men tải 58 Ia_Lf Ib_Lf Ic_Lf 80 60 I a b c Lf ( A ) 40 20 -20 -40 -60 -80 10 12 14 16 18 20 Hình 3.16 Đáp ứng dịng điện động in-wheel bánh xe bên trái phía trước Ia_Rf Ib_Rf Ic_Rf 80 60 40 I a b c Rf ( A ) 20 -20 -40 -60 -80 10 12 14 16 18 20 Hình 3.17 Đáp ứng dịng điện động in-wheel bánh xe bên phải phía trước 59 Mc Mc_DOB Moment (N.m) 60 30 20 10 0 10 12 14 16 18 20 Hình 3.18 Bộ quan sát nhiễu mô-men tải DOB Nhận xét: + Tốc độ xe bánh xe bám theo giá trị đặt Xe tăng tốc từ 0÷50 (Km/h) khoảng thời gian (s) + Bộ quan sát nhiễu mô-men DOB bám sát theo giá trị mô-men tải + Trong khoảng thời gian từ 0÷8(s), góc đánh lái δ =0, tốc độ bánh xe phía trước bên trái với bánh xe phía trước bên phải với tốc độ xe => Xe thẳng + Tại thời điểm t=8 (s), góc đánh lái δ >0, mơ-men điện từ bánh xe phía trước bên trái giảm dẫn đến tốc độ bánh xe phía trước bên trái giảm Quá trình diễn ngược lại bánh xe bên phải phía trước => Xe rẽ sang trái + Tại thời điểm t=14 (s), góc đánh lái δ Xe rẽ sang phải => Các kết mô cho thấy, vi sai điện tử EDS đề xuất thỏa mãn nguyên lý hoạt động xe điện chạy đường cong Các giá trị tốc độ xe, tốc độ bánh xe bám theo theo giá trị đặt => Cấu trúc điều khiển đề xuất thỏa mãn yêu cầu điều khiển xe điện dẫn động cầu trước 60 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Kết luận Trong Chương 1, luận văn trình bày tổng quan cấu trúc truyền động xe điện dẫn động cầu trước Trong đó, nội dung chương có giới thiệu loại động điện thường dùng xe điện phương pháp điều khiển động xe điện Nổi bật loại động sử dụng xe điện động đồng nam châm vĩnh cửu cực chìm IPMSM Động IPMSM phù hợp cho ứng dụng truyền động có nguồn cung cấp hạn chế pin, ắc quy xe điện Ngày nay, động IPMSM gắn trực tiếp vào bánh xe, gọi động in-wheel IPMSM Điều giúp đơn giản hóa kết cấu truyền động giảm thiểu đáng kể khối lượng xe điện Trong Chương 2, luận văn trình bày phương pháp điều khiển cho động inwheel IPMSM ứng dụng tơ điện Đó điều khiển vector tựa từ thông rotor FOC với dòng điện đặt 𝑖𝑑∗ =0 dòng điện đặt 𝑖𝑑∗ tính tốn nhờ sử dụng thuật tốn điều khiển tối ưu dịng điện đầu vào đáp ứng mơ-men phụ tải MTPA kết hợp thuật toán suy giảm từ thông FW Cấu trúc điều khiển mô phần mềm Matlab/Simulink Kết mô cho thấy, phương pháp điều khiển tối ưu mô-men phụ tải MTPA kết hợp điều khiển suy giảm từ thơng rotor FW có khả sinh mô-men tốt hơn, giảm thiểu tổn thất đồng stator, giúp nâng cao hiệu suất động vùng mô-men không đổi điều khiển động hoạt động ổn định vùng tốc độ cao Những đặc điểm phù hợp với yêu cầu truyền động xe điện ngày Ngoài ra, chương này, luận văn đề xuất quan sát nhiễu mô-men tải DOB giúp cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển hệ thống có biến động lớn mơ-men tải Trong Chương 3, luận văn nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển cho xe điện dẫn động cầu trước Tác giả đề xuất vi sai điện tử EDS nhằm thay cho vi sai khí truyền thống vốn tồn nhiều hạn chế như: kích thước lớn cồng kềnh, tổn hao cơng suất truyền lớn, tốn chi phí bảo dưỡng,…để ứng dụng cho xe điện Sau đó, luận văn kết hợp EDS phương pháp điều khiển động in-wheel IPMSM chương để mô hoạt động xe điện dẫn động cầu trước phần mềm Matlab/Simulink Kết mô cho thấy, cấu trúc điều khiển đề xuất phù hợp với nguyên lý hoạt động thực tế 61 xe điện, có tính thực tiễn có ứng dụng tốt 4.2 Hướng phát triển luận văn tương lai Phương hướng phát triển luận văn nghiên cứu phương pháp điều khiển xe điện dẫn động độc lập 04 bánh xe in-wheel nhằm nâng cao tính ổn định, linh hoạt an tồn lái xe 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Qi Huang, Yong Chen, Jian Li, "Control of Electric Vehicle," Urban Transport and Hybrid Vehicles, September 2010 [2] F Un-Noor, S Padmanaban, L Mihet-Popa, M Mollah, and E Hossain, "A Comprehensive Study of Key Electric Vehicle (EV) Components, Technologies, Challenges, Impacts, and Future Direction of Development," Energies, vol 10, no 8, p 1217, Aug 2017 [3] Y Tang, J J H Paulides, I J M Besselink, F Gardner, E A Lomonova, "Indirect Drive In-Wheel System for HEV/EV Traction", EVS27 International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, November 2013 [4] Parvathi M S and Nisha G K, "Modeling of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor using Transient Simulation Techniques," International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol Issue 7, July 2016 [5] Wang Zhuoyong, Yao Xiaodong, Liu Jiakang, Xu Liangxu, Tong Hui, Liu Ke, "Research on IPMSM Control Based on MTPA", 7th International Conference on Intelligent, Interactive Systems and Applications, vol 208, pp.635-641, 2022 [6] Merve Yldrm, Eyyüp Öksüztepe, Burak Tanyeri, and Hasan Kürüm, "Electronic Differential System for an Electric Vehicle with In-Wheel Motor", The Scientific and Technological Research Council of Turkey , pp 1048-1052, November 2015 [7] M Yildirim, M Polat, H Kurum, "A survey on comparison of electric motor types and drives used for electric vehicles," IEEE 16th International Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition (PEMC), pp 218-223, 2014 [8] R N Tuncay, O Ustun, M Yilmaz, C Gokce, U Karakaya, "Design and implementation of an electric drive system for in-wheel motor electric vehicle applications," IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), pp 1-6, 2011 [9] Y E Zhao, J W Zhang, and X Q Guan, "Modelling and simulation of the electronic differential system for and electric vehicle with two-motor-wheel drive," International Journal of Vehicle Systems Modelling and Testing,vol 4,1-2, pp 1209-1214, 2009 [10] M Jain and S S Williamson, "Suitability analysis of in wheel motor direct drives for electric and hybrid electric vehicles", in IEEE Electrical Power & Energy Conference (EPEC), 2009, pp 1-5 63 [11] J S Lee, Y J Ryoo, Y C Lim, P Freere, T G Kim, S J Son, and E S Kim, "A neural network model of electric differential system for electric vehicle", in IEEE 26th Annual Conference of the Industrial Electronics Society (IECON), vol 1, 2000, pp 83-88 [12] X Wu, Y Li, and X Min "Speed following control for differential steering of 4WID electric vehicle," in IEEE 2014-40th Annual Conference of the Industrial Electronics Society (IECON), pp 3054-3059, 2014 [13] A Haddoun, M E H Benbouzid, D Diallo, R Abdessemed, J Ghouili, and K Srairi, "Modeling, analysis, and neural network control of an EV electrical differential", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 55, no 6, pp 2286-2294, 2008 [14] M W Choi, J S Park, B S Lee, and M H Lee, "The performance of independent wheels steering vehicle (4WS) applied Ackerman geometry", in IEEE International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), 2008, pp 197-202 [15] Y Zhou, S Li, X Zhou and Z Fang "The control strategy of electronic differential for EV with four in-wheel motors," in IEEE Control and Decision Conference (CCDC), pp 4190-4195, 2010 [16] G Park, S Lee, S Jin, S Kwak "Integrated modeling and analysis of dynamics for electric vehicle powertrains", Expert Systems with Applications, 2013 64 PHỤ LỤC A1 Chi tiết bước tính tốn ❖ Thuật tốn MTPA kết hợp FW function idref = MTPA(wr,iq) persistent Ld Lq p phi Rs we Usm wc wb %% Thông số động IPMSM Ld=0.395e-3; Lq=0.695e-3; p=6; Rs=6.5e-3; phi=0.08; ndm=1000; wdm=2*pi/60*ndm; we=wdm*p; Ism=265; Udm=sqrt((we*Lq*Ism)^2+(phi*we+Rs*Ism)^2); idA=1/(4*(Lq-Ld))*(phi- sqrt((phi^2)+8*(Lq-Ld)^2*Ism^2)); iqA=sqrt(Ism^2-idA^2); wb = Udm/sqrt(((phi+Ld*idA)^2+(Lq*iqA)^2))*1/p; Usm=Udm-Rs*Ism; idmin=-phi/Ld; iqmin= sqrt(Ism^2-idmin^2); wc = Usm/(Lq*iqmin)*1/p; %% Thuat toan MTPA ket hop FW if wr