TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Sau ba năm nghiên cứu về động cơ đốt trong truyền thống, nhóm nghiên cứu đã nắm vững kiến thức cơ bản và công nghệ hiện đại liên quan Nhận thấy ô tô điện là xu hướng phát triển tiềm năng, nhóm quyết định tập trung vào nghiên cứu động cơ điện 3 pha PMSM, nền tảng cho việc phát triển ô tô điện Động cơ này được điều khiển bởi vi điều khiển STM32F411CEU6, kết hợp với linh kiện điện tử và bộ nguồn để hoạt động hiệu quả Một trong những mục tiêu quan trọng của nhóm là phát triển phương pháp điều khiển động cơ điện hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau, dẫn đến việc chọn đề tài tốt nghiệp “Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên động cơ điện 3 pha PMSM.”
Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc phát triển điều khiển vòng hở nhằm thiết lập các tín hiệu đầu ra theo yêu cầu của người điều khiển Mục tiêu là kiểm tra tín hiệu điều khiển và xác định các vùng làm việc của động cơ Qua đó, nhóm cải thiện tín hiệu điều khiển để tăng cường dải mô-men và tốc độ, nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ Đây chính là mục đích cốt lõi của đề tài mà chúng tôi đang theo đuổi.
Chúng em hy vọng đề tài nghiên cứu có thể phát triển thành công một sản phẩm xe máy điện, nhằm cải thiện ô nhiễm môi trường, đáp ứng nhu cầu di chuyển của người dân và sản xuất trong nước với giá thành phù hợp với thu nhập của đa số người dân Việt Nam hiện nay.
Mục tiêu đề tài
- Tính toán, thiết kế mạch điều khiển dẫn động động cơ điện 3 pha PMSM
- Tạo dòng điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha từ nguồn điện một chiều
- Hiểu được nguyên lý hoạt động của động cơ điện 3 pha PMSM
- Xây dựng phương pháp điều khiển điều khiển dựa trên nguyên lý làm việc của máy biến tần để đánh giá khả năng hoạt động của mạch điều khiển
- Tăng thêm dải moment giúp xe hoạt động trơn tru.
Đối tượng nghiên cứu
- Vi điều khiển STM32F411CEU6
- Động cơ điện 3 pha PMSM
Giới hạn đề tài
Trong thời gian hơn ba tháng, nhóm đã tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển tốc độ xe bằng vòng lặp hở, nhằm tăng cường dải moment và cải thiện sự hoạt động trơn tru của xe dưới nhiều điều kiện làm việc khác nhau.
Phương pháp nghiên cứu
Nhóm nghiên cứu áp dụng phương pháp tính toán lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, thu thập thông tin từ các tài liệu, bài báo khoa học trên Internet, cũng như từ các giáo trình điện tử về điện tử cơ bản, điện tử công suất và vi điều khiển, bên cạnh việc tham khảo những đồ án tốt nghiệp trước đó.
Nội dung đồ án
- Tổng quan các nghiên cứu liên quan
- Thiết kế bộ điều khiển động cơ điện 3 pha PMSM
- Thu thập tín hiệu tốc độ từ động cơ
- Đánh giá dữ liệu thu thập được
- Đề xuất hướng phát triển đồ án.
Bố cục đồ án
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Chương 3: Xây dựng hệ thống
- Chương 4: Thiết kế và thi công hệ thống
- Chương 6: Kết luận và kiến nghị
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
STM32F411CEU6
STM32F411CEU6 là vi điều khiển ARM Cortex-M4F 32-bit với tần số hoạt động lên đến 100MHz, thuộc dòng sản phẩm STM32F4 của STMicroelectronics Được xây dựng trên kiến trúc ARMv7E-M, nó cung cấp bộ vi xử lý mạnh mẽ và nhiều tính năng hỗ trợ cho phát triển ứng dụng nhúng đa dạng Ngoài ra, STM32F411CEU6 còn là kit phát triển sử dụng vi điều khiển ARM Cortex-M4 thế hệ mới, thường được sử dụng trên các Kit Nucleo của hãng.
ST, Kit có thiết kế nhỏ gọn, trang bị cổng USB-C, và các Led, nút nhấn cơ bản [9]
STM32F411CEU6 được sử dụng trong nhiều ứng dụng nhúng khác nhau:
STM32F411CEU6 là một vi điều khiển mạnh mẽ với khả năng xử lý vượt trội và nhiều giao tiếp ngoại vi, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển như robot, máy móc tự động, hệ thống điều khiển nhiệt độ và nhiều ứng dụng tương tự khác.
STM32F411CEU6 là một vi điều khiển mạnh mẽ với khả năng kết nối qua các giao tiếp như UART, SPI, I2C và Ethernet, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng IoT Với khả năng kết nối và điều khiển các thiết bị nhúng, nó cho phép truyền dữ liệu hiệu quả giữa các thiết bị thông qua các giao thức mạng.
STM32F411CEU6 là một bộ vi điều khiển mạnh mẽ với bộ chuyển đổi analog-to-digital (ADC) tích hợp cùng các giao tiếp SPI và I2C, rất phù hợp cho các thiết bị đo lường và kiểm tra Thiết bị này có khả năng thu thập dữ liệu từ cảm biến và các thiết bị đo lường, xử lý thông tin để cung cấp kết quả chính xác cho các ứng dụng đo lường và kiểm tra.
STM32F411CEU6 có khả năng điều khiển đèn LED và các màn hình hiển thị như LCD hoặc OLED, nhờ vào khả năng giao tiếp với các giao diện như PWM (Điều chế độ rộng xung), cho phép điều chỉnh độ sáng và màu sắc của đèn LED.
STM32F411CEU6 là một vi điều khiển lý tưởng cho các hệ thống nhúng và điện tử tiêu thụ thấp nhờ vào khả năng hoạt động ở mức điện áp thấp và tiêu thụ năng lượng tối ưu Vi điều khiển này thường được áp dụng trong các thiết bị đeo thông minh, cảm biến tiêu thụ năng lượng thấp và hệ thống điều khiển IoT di động, giúp kéo dài tuổi thọ pin và nâng cao hiệu suất hoạt động.
- STM32CubeIDE: Môi trường phát triển tích hợp (IDE) cho vi điều khiển STM32, hỗ trợ viết và gỡ lỗi mã nguồn
- STM32CubeMX: Công cụ cấu hình phần cứng và tạo mã nguồn khởi tạo tự động cho vi điều khiển STM32
- Các thư viện CMSIS (Cortex Microcontroller Software Interface Standard): Cung cấp API (Application Programming Interface) chuẩn cho việc lập trình vi điều khiển Cortex-M [9]
Mạch nạp và giao tiếp:
- ST-Link/V2: Mạch nạp STM32 chính thức của STMicroelectronics, được sử dụng để nạp chương trình vào vi điều khiển STM32
- USART/UART: Giao tiếp chuẩn RS-232 hoặc TTL thông qua chân GPIO để giao tiếp với vi điều khiển từ máy tính hoặc các thiết bị khác
STM32Cube HAL (Hardware Abstraction Layer) là thư viện cung cấp lớp trừu tượng giữa phần cứng và phần mềm ứng dụng, giúp lập trình viên dễ dàng truy cập và điều khiển các chức năng phần cứng trên STM32F411CEU6, bao gồm GPIO, USART, SPI, I2C, ADC và nhiều tính năng khác.
STM32Cube LL (Low-Level) là một thư viện cung cấp truy cập trực tiếp đến phần cứng, cho phép lập trình viên tùy chỉnh và kiểm soát chính xác các chức năng phần cứng trên STM32F411CEU6 Thư viện này giúp tối ưu hóa hiệu suất, đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp và hiệu năng tối đa.
STM32Cube Middleware offers essential libraries that complement hardware libraries, enabling developers to seamlessly integrate advanced features such as USB, TCP/IP, FAT file system, and Real-Time Operating System (RTOS) into their applications.
2.1.2 Các thông số kỹ thuật của STM32F411CEU6
- Flash memory: STM32F411CEU6 được tích hợp với 512 KB flash memory Flash memory này được sử dụng để lưu trữ chương trình ứng dụng và dữ liệu
- SRAM: STM32F411CEU6 có 128 KB SRAM (Static Random Access Memory) SRAM được sử dụng để lưu trữ dữ liệu trong quá trình thực thi chương trình
STM32F411CEU6 được trang bị 2 KB bộ nhớ One-Time Programmable (OTP), cho phép lưu trữ dữ liệu không thể thay đổi sau khi đã được ghi Bộ nhớ OTP này rất hữu ích cho các ứng dụng yêu cầu bảo mật và tính toàn vẹn cao.
- Option bytes: STM32F411CEU6 có 16 bytes option bytes, được sử dụng để cấu hình các tính năng và chế độ của vi điều khiển [9]
STM32F411CEU6 sử dụng nguồn clock ngoại vi để cung cấp tín hiệu cho vi điều khiển, với tần số có thể được cấu hình linh hoạt theo yêu cầu của ứng dụng.
The STM32F411CEU6 microcontroller features multiple internal clock sources, including High-Speed Internal (HSI), High-Speed External (HSE), Phase-Locked Loop (PLL), and Low-Speed Internal (LSI), allowing it to generate various clock frequencies for different components of the microcontroller.
- Có thể cấu hình và điều khiển hệ thống clock bằng cách sử dụng các thanh ghi và thanh ghi bị chặn trong vi điều khiển [9]
- STM32F411CEU6 có các nguồn reset khác nhau để khởi động lại vi điều khiển và các thành phần khác
- Nguồn reset chính là nguồn reset ngoại vi (NRST) và nút reset nội bộ (RESET)
Chân NRST là một chân ngoại vi quan trọng dùng để khởi động lại vi điều khiển Khi tín hiệu trên chân NRST thay đổi từ mức cao xuống mức thấp, vi điều khiển sẽ được reset và bắt đầu lại quá trình thực thi chương trình.
- RESET: Đây là một tín hiệu reset nội bộ có thể được sử dụng để khởi động lại vi điều khiển thông qua phần mềm [9]
- STM32F411CEU6 có các tính năng quản lý nguồn để giảm tiêu thụ năng lượng và quản lý hoạt động điện áp của vi điều khiển
Các tính năng quản lý nguồn bao gồm chế độ Ngủ, chế độ Dừng và chế độ Chờ, mỗi chế độ có mức tiêu thụ năng lượng và thời gian khôi phục hoạt động riêng biệt.
Vi điều khiển STM32F411CEU6 được trang bị các tính năng bảo vệ và giám sát điện áp, bao gồm Brownout Reset (BOR), nhằm đảm bảo sự ổn định và an toàn cho hệ thống.
Hình 2.2 Sơ đồ nguồn xung clock của STM32F411CEU6T6 [9]
IC IR2103
- Sử dụng kỹ thuật “bootstrap”
- Có thể điều khiển mạch lên tới 600V
- Có khả năng làm việc từ 10V đến 20V
- Có khả năng cấp dòng điều khiển lên đến 210 mA, đủ để kích hoạt MOSFET công suất
- Có tích hợp các tính năng bảo vệ như bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá nhiệt và bảo vệ ngắn mạch
- Đầu ra bên cao cùng pha với đầu vào HIN
- Đầu ra bên thấp lệch pha với đầu vào LIN [5]
2.2.2 Chức năng và cấu trúc của IR2103
Cấu trúc của IC IR2103 bao gồm các thành phần và khối chức năng sau:
- Bộ điều khiển chính (Main Controller): Đây là phần quản lý chung của IC và điều khiển các chức năng và hoạt động của nó
IR2103 được trang bị các chân đầu vào để tiếp nhận tín hiệu điều khiển từ các nguồn như vi điều khiển hoặc các thiết bị phát tín hiệu khác.
- Đầu ra tín hiệu điều khiển (Control Signal Output): IC cung cấp các chân đầu ra để điều khiển MOSFET trong mạch cầu H
MOSFET Driver IR2103 có khả năng điều khiển hai MOSFET ngược nhau trong mạch cầu H, cung cấp tín hiệu điều khiển và dòng điện cần thiết để kích hoạt và tắt MOSFET hiệu quả.
- Bộ tách biệt điện (Optocoupler): IC hỗ trợ chế độ điều khiển qua bộ tách biệt điện để cách ly tín hiệu điều khiển và tín hiệu nguồn
- Bảo vệ: IR2103 tích hợp các tính năng bảo vệ, bao gồm bảo vệ quá dòng, quá nhiệt và ngắn mạch
Giao diện của IC bao gồm các chân giao tiếp quan trọng, như chân ENABLE để bật hoặc tắt IC, cùng với chân IN-HIGH và IN-LOW để điều khiển hoạt động của MOSFET trong cầu H.
Một số chức năng chính của IR2103:
IR2103 là một mạch điều khiển MOSFET hiệu quả trong cầu H, cho phép điều khiển hai MOSFET ngược nhau Mạch này cung cấp tín hiệu điều khiển cần thiết để kích hoạt và tắt các MOSFET, từ đó giúp điều chỉnh dòng điện và điện áp tại đầu ra một cách chính xác.
+ Chế độ điều khiển trực tiếp (Direct drive): IR2103 có thể điều khiển
MOSFET trực tiếp thông qua tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển hoặc các nguồn tín hiệu khác
Chế độ điều khiển qua bộ tách biệt điện (Optocoupler drive) với IR2103 cho phép kết nối hiệu quả với bộ tách biệt điện, giúp cách ly tín hiệu điều khiển khỏi tín hiệu nguồn, đảm bảo an toàn và độ tin cậy trong hệ thống.
- Bảo vệ: IR2103 tích hợp nhiều tính năng bảo vệ, bao gồm:
+ Bảo vệ quá dòng: Theo dõi và ngắt dòng điện khi dòng điện vượt quá giới hạn
+ Bảo vệ quá nhiệt: Theo dõi nhiệt độ và tắt IC nếu nhiệt độ quá cao
+ Bảo vệ ngắn mạch: Ngắt dòng điện khi phát hiện ngắn mạch trên đầu ra
IR2103 là mạch điều khiển MOSFET và IGBT với điện áp cao và tốc độ cao, cho phép điều khiển độc lập mức cao và thấp cho các kênh đầu ra Kênh floating của mạch này có khả năng điều khiển MOSFET hoặc IGBT công suất kênh N ở cấu hình mức cao, hoạt động hiệu quả lên tới 600V.
Hình 2.4 Chức năng và cấu trúc của IR2103 [5]
2.2.3 Sơ đồ chân của IR2103
Hình 2.5 Sơ đồ chân của IR2103 [5] Ý nghĩa các chân của IR2103
- HIN: Chân đầu vào logic để điều khiển chân đầu ra HO mức cao, cùng pha
- LIN: Chân đầu vào logic để điều khiển chân đầu ra LO mức thấp, ngược pha
- VB: Nguồn cấp mức cao
- HO: Đầu ra điều khiển mức cao
- VS: Nguồn hồi mức cao
- VCC: Nguồn cố định logic và mức thấp
- LO: Đầu ra điều khiển mức thấp
- COM: Chân hồi mức thấp
2.2.4 Thông số kỹ thuật của IR2103
- Điện áp điều khiển từ 10V – 20V
- Dải nhiệt độ hoạt động từ −40 0 C – 125 0 C
- Thời gian ON: ton = 720 ns
- Thời gian OFF: toff = 200 ns
- Thời gian trễ Deadtime: DT = 750 ns
- Kiểu chân: 8 Lead PDIP / SO-8
- Dùng để thiết kế mach cầu H
2.2.5 Nguyên lý hoạt động của IR2103
Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của IR2103 [5]
Dựa vào sơ đồ trên, ta thấy rằng IR2103 hoạt động như sau
Khi chân HIN nhận tín hiệu ở mức High và chân LIN cũng ở mức High, tín hiệu đầu ra HO sẽ đạt mức High, trong khi tín hiệu đầu ra LO sẽ ở mức Low.
Khi chân HIN nhận tín hiệu ở mức Low và chân LIN cũng ở mức Low, tín hiệu đầu ra HO sẽ ở mức Low, trong khi tín hiệu đầu ra LO sẽ ở mức High.
Khi chân HIN nhận tín hiệu High và chân LIN nhận tín hiệu Low, tín hiệu đầu ra HO sẽ ở mức Low, trong khi tín hiệu đầu ra LO cũng sẽ ở mức Low.
Khi tín hiệu đầu vào chân HIN ở mức Low và chân LIN ở mức High, thì tín hiệu đầu ra HO sẽ ở mức Low, trong khi tín hiệu đầu ra LO cũng sẽ ở mức Low.
Công nghệ IGBT và IGBT H20R1203
IGBT (Transistor lưỡng cực cách điện) là một thiết bị bán dẫn công suất ba cực, nổi bật với khả năng đóng ngắt nhanh chóng và hiệu suất cao, chủ yếu được sử dụng như một công tắc điện tử Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi và đứng thứ hai trong số các loại bán dẫn công suất, chỉ sau MOSFET công suất.
IGBT được dùng nhiều nhất trong các bộ khuếch đại để xử lý và đóng ngắt bằng việc điều chế độ rộng xung (PWM)
Hình 2.7 Các chân của IGBT
IGBT là thiết bị bán dẫn kết hợp giữa transistor lưỡng cực và MOSFET, mang lại hiệu suất cao trong ứng dụng điện tử Ký hiệu của IGBT thể hiện rõ ràng, với đầu vào tương tự như một MOSFET, đặc biệt ở cực cổng.
G (Gate) và đầu ra đại diện cho một Transitor với cực thu C (Collector) và cực phát
E (Emitter) Cực C và cực E là những cực dẫn và cực G là cực điều khiển với nguyên lý đóng ngắt
Hình 2.8 Mạch tương đương của IGBT
IGBT được cấu tạo từ hai Transistor và một MOSFET, với đầu ra là sự kết hợp của Transistor PNP, NPN và MOSFET Thiết bị này kết hợp điện áp bão hòa thấp của Transistor với trở kháng đầu vào cao và tốc độ đóng ngắt nhanh của MOSFET Kết quả là IGBT có đặc tính dẫn và đóng ngắt tương tự như một Transistor lưỡng cực, nhưng điện áp được điều khiển giống như MOSFET.
IGBT H20R1203 là linh kiện bán dẫn công suất ba cực, kết hợp ưu điểm của MOSFET và Transitor, cho phép đóng ngắt nhanh và chịu tải lớn Với khả năng điều khiển bằng điện áp, linh kiện này yêu cầu công suất điều khiển rất thấp.
2.3.2.2 Thông số kỹ thuật và ưu nhược điểm
- Điện áp giới hạn cấp vào: VGE = ±25V
- Điện áp chịu được tối đa: VCE = 1200V
- Dòng điện cực đại: IC = 40A (TC = 25 0 C), IC = 20A (TC = 100 0 C)
- Nhiệt độ chịu được tối đa: 260 0 C
- Kiểu chân: TO-3P Ưu điểm:
- Khả năng chịu áp cao
- Khả năng dẫn dòng lớn
- Tốc độ đóng ngắt nhanh
- Tần số đóng ngắt cao
- Không chặn được điện áp ngược cao
IGBT có tốc độ đóng ngắt thấp hơn MOSFET và cao hơn transistor, do đó, các thiết bị hoạt động ở tần số cao từ 400V trở lên thường không sử dụng IGBT mà thay vào đó là MOSFET Nguyên nhân là IGBT dễ bị sụt áp khi vận hành ở tần số cao, điều này có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng cho toàn bộ thiết bị.
Hình 2.10 Các chân của IGBT
- Nối tắt chân Gate (G) với chân Emittor (E)
- Đặt chế độ kiểm tra Diode cho đồng hồ vạn năng, điện áp nguồn không lớn hơn 20V
- Nối cực dương của que đo với cực E và cực âm với cực C, nếu IGBT còn tốt đồng hồ sẽ chỉ đúng điện áp rơi trên Diode của IGBT
- Đảo que đo lại thì nếu IGBT còn tốt đồng hồ sẽ chỉ hở mạch hoặc trạng thái điện trở đang rất lớn
- Các IGBT hỏng thường cho thấy mạch đã bị ngắn, có thể mạch hở ở cả hai chiều hoặc cả hai chiều đều có điện trở [4]
Photocoupler (Opto quang)
Photocoupler, hay còn gọi là phần tử cách ly quang (opto-isolator), là một thiết bị bán dẫn dùng để truyền tín hiệu giữa hai mạch điện cách ly nhau thông qua ánh sáng.
Photocoupler hoạt động dựa trên nguyên lý đơn giản, sử dụng linh kiện rời bao gồm một diode phát quang (LED) chiếu sáng vào cửa sổ của một diode quang hoặc phototransistor Tất cả các linh kiện này được bảo vệ trong một vỏ kín ánh sáng, giúp tăng cường hiệu suất và độ chính xác của thiết bị.
Khi LED phát sáng với cường độ nhất định, vùng Base của transistor cảm quang tiếp nhận ánh sáng, dẫn đến việc giảm điện trở thuần của transistor, từ đó làm tăng dòng Ic qua transistor Điều này tạo ra hai mức độ chính trong hoạt động của transistor.
Khi cường độ sáng đạt mức đủ mạnh, transistor cảm quang sẽ chuyển sang trạng thái bão hòa Ứng dụng chính của photocoupler là thực hiện việc truyền tín hiệu logic trong các hệ thống điện tử.
Nếu cường độ ánh sáng yếu, transistor cảm quang sẽ không đạt trạng thái bão hòa Photocoupler có khả năng truyền tín hiệu analog, tuy nhiên chế độ này ít được sử dụng do đặc tính quan hệ vào-ra có đoạn tuyến tính hẹp, không đảm bảo độ chính xác trong việc truyền tín hiệu.
Photocoupler là thiết bị quan trọng trong các hệ thống số, giúp cách ly điện giữa các linh kiện để ngăn ngừa sốc điện và nhiễu tín hiệu Trong các thiết bị đo đạc thí nghiệm, photocoupler được sử dụng để số hóa dữ liệu và truyền tải thông tin đến máy tính nhúng, với nguồn điện được cung cấp từ các modul nguồn khác nhau Ngoài ra, photocoupler còn được tích hợp vào các linh kiện như transistor, MOSFET, IGBT và TRIAC công suất lớn, cho phép điều khiển dòng điện, và chúng thường được gọi là rơ le bán dẫn.
LM7805
- Điện áp đầu vào tối đa là 35 VDC
- Điện áp ra 5 V cố định
- Bảo vệ mạch khi quá nhiệt
- Bảo vệ khi ngắn mạch
2.5.2 Chức năng và cấu trúc LM7805
IC LM7805 là một bộ ổn áp đầu ra 5V thuộc dòng LM78XX Với chi phí thấp và tính dễ sử dụng, LM7805 được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị thương mại.
Hình 2.13 Sơ đồ lắp đặt LM7805
Tụ điện
Hầu hết tụ hóa là tụ điện phân cực, tức là nó có cực xác định Khi nối mạch phải đúng cực âm-dương
Trên tụ điện có kích thước lớn, cực âm được phân biệt bằng dấu “–” trên vạch màu sáng dọc theo thân tụ Khi tụ mới chưa cắt chân, chân dài hơn sẽ là cực dương.
- Các tụ cỡ nhỏ, tụ dành cho hàn dán SMD thì đánh dấu + ở cực dương để đảm bảo tính rõ ràng
Hình 2.14 Tụ điện hóa phân cực
Trị số của tụ phân cực vào khoảng 0,47μF - 4.700μF, thường dùng trong các mạch tần số làm việc thấp, dùng lọc nguồn [3]
2.6.2 Tụ điện không phân cực
Tụ điện không phân cực, như tụ giấy, tụ gốm và tụ mica, không xác định cực dương âm Các tụ có điện dung nhỏ hơn 1 μF thường được sử dụng trong mạch điện tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu Trong khi đó, các tụ lớn từ vài μF đến Fara được sử dụng trong điện dân dụng, như tụ quạt và mô tơ, cũng như trong các dàn tụ bù pha cho lưới điện Ngoài ra, một số tụ hóa không phân cực cũng được sản xuất.
Hình 2.15 Tụ điện sứ không phân cực
Diode bán dẫn
Diode là linh kiện bán dẫn cho phép dòng điện chỉ đi qua một chiều, không cho phép dòng ngược lại Có nhiều loại diode như diode chỉnh lưu, diode Zener và LED, tất cả đều có cấu tạo chung từ một khối bán dẫn loại P kết hợp với một khối bán dẫn loại N, với hai chân ra là anode và cathode.
Hình 2.16 Cấu tạo một Diode bán dẫn
Diode chỉ cho phép dòng điện chạy theo chiều từ anode sang cathode và không dẫn điện theo chiều ngược lại khi còn tốt Tuy nhiên, trong trường hợp diode bị phân cực ngược với điện áp lớn, vẫn có một dòng điện ngược rất nhỏ (khoảng μA), thường không ảnh hưởng đến các ứng dụng công nghiệp Mặc dù mọi diode chỉnh lưu không dẫn điện theo chiều ngược, nhưng nếu điện áp ngược vượt quá ngưỡng chịu đựng (VBR), diode có thể bị đánh thủng, dẫn đến dòng điện tăng nhanh và gây hư hỏng Do đó, khi sử dụng diode, cần tuân thủ hai điều kiện quan trọng.
Dòng điện thuận qua diode phải luôn nhỏ hơn giá trị tối đa cho phép được cung cấp bởi nhà sản xuất Để xác định giá trị này, bạn có thể tra cứu trong các tài liệu kỹ thuật của hãng sản xuất.
- Điện áp phân cực ngược không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của diode, cũng do nhà sản xuất cung cấp).
Điện trở
Điện trở là đại lượng vật lý phản ánh khả năng cản trở dòng điện của vật liệu, được đo bằng đơn vị Ohm trong hệ SI Giá trị điện trở càng cao thì khả năng dẫn điện càng kém Khi vật dẫn cản trở dòng điện, năng lượng điện sẽ chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác, chẳng hạn như nhiệt năng.
Có 2 cách đọc điện trở là dùng đồng hồ vạn năng để điện trở hoặc đọc vạch màu theo bảng sau:
Hình 2.17 Bảng đọc giá trị điện trở
Động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)
Động cơ điện 3 pha PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) là loại động cơ sử dụng nam châm vĩnh cửu trên rotor, hoạt động dựa trên sự tương tác giữa từ trường của nam châm và từ trường xoay chiều do dòng điện xoay chiều 3 pha trong stator tạo ra Loại động cơ này được ưa chuộng trong các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao, độ chính xác và khả năng điều khiển vị trí cũng như tốc độ một cách chính xác.
2.9.1 Cấu tạo của động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 2.18 Cấu tạo động cơ điện xoay chiều ba pha
Động cơ PMSM bao gồm hai thành phần chính: rotor và stator Rotor được trang bị các nam châm vĩnh cửu gắn trên trục xoay, tạo ra từ trường nam châm cố định Trong khi đó, stator là phần không di động, bao gồm lõi từ và cuộn dây ba pha.
Cuộn dây 3 pha được đặt trong các khe của lõi từ và kết nối với nguồn điện xoay chiều
Stator là bộ phận tĩnh của động cơ PMSM, bao gồm các cuộn dây 3 pha được lắp đặt trong các khe của lõi từ Những cuộn dây này được kết nối với nguồn điện xoay chiều, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra từ trường cần thiết cho hoạt động của động cơ.
Stator phát ra từ trường xoay chiều khi dòng điện 3 pha chạy qua cuộn dây Tương tác giữa từ trường này và từ trường của nam châm trên rotor tạo ra lực quay, giúp động cơ hoạt động hiệu quả.
Lõi từ được cấu tạo từ các tấm thép kỹ thuật điện có khe hở để lắp đặt cuộn dây, giúp tập trung từ trường hiệu quả và giảm thiểu tổn thất điện năng.
Hình 2.19 Cấu tạo của stator Phần Rotor (phần quay):
Rotor là thành phần quay của động cơ PMSM, bao gồm các nam châm vĩnh cửu Những nam châm này có thể là nam châm neodymium, samarium-cobalt hoặc các loại nam châm khác với tính từ trường mạnh mẽ.
Nam châm vĩnh cửu được lắp trực tiếp lên rotor, tạo ra một từ trường cố định Cấu trúc và hình dạng của rotor có thể thay đổi tùy thuộc vào thiết kế và ứng dụng cụ thể của động cơ.
- Rotor thường được lắp trên một trục xoay và được hỗ trợ bằng các vòng bi để đảm bảo sự quay mượt mà và ổn định
Hình 2.20 Cấu tạo của rotor
2.9.2 Nguyên lý hoạt động động cơ điện nam châm vĩnh cữu
Động cơ PMSM hoạt động dựa trên sự tương tác giữa từ trường xoay của stator và từ trường không đổi của nam châm vĩnh cửu trên rotor, tạo ra moment kéo rotor quay Tại tốc độ đồng bộ, rotor quay với tốc độ tương đương từ trường xoay của stator, trở thành khóa cứng với stator Để khởi động động cơ PMSM, cần tạo ra một từ trường xoay trên stator bằng cách cấp điện cho ba cuộn dây A, B, C theo thứ tự Khi cuộn dây A được cấp điện, từ trường của nó sẽ hút nam châm vĩnh cửu trong rotor, khiến rotor xoay theo chiều kim đồng hồ về phía cuộn A Sau đó, khi cấp điện cho cuộn B và C, rotor sẽ tiếp tục xoay theo chiều kim đồng hồ về phía các cuộn này.
Để xác định thời điểm cấp điện cho các cuộn dây trong động cơ PMSM, cảm biến vị trí, thường là cảm biến Hall, được sử dụng để đo góc quay của rotor Sơ đồ điều khiển tổng quát của động cơ PMSM được trình bày trong hình 2.21.
Hình 2.22 Sơ đồ điều khiển động cơ PMSM
Bộ điều khiển nhận lệnh điều khiển như tăng tốc hoặc giảm tốc và kiểm tra tình trạng động cơ qua các cảm biến Cảm biến tốc độ cung cấp thông tin vị trí rotor, giúp bộ điều khiển xác định cuộn dây 3 pha cần cấp điện Cảm biến dòng điện giám sát dòng trong các cuộn dây để bảo vệ chống ngắn mạch Bộ điều khiển gửi tín hiệu đến bộ biến đổi, thường bao gồm các khóa bán dẫn công suất, điều khiển dòng điện qua 3 cuộn dây Kết quả là tạo ra từ trường xoay 3 pha từ nguồn điện một chiều.
Resolver
Resolver là cảm biến quan trọng giúp xác định vị trí cực từ tính trên rotor của máy phát hoặc động cơ Nguyên lý hoạt động của resolver dựa vào sự thay đổi dòng điện và dạng sóng đầu ra từ các cuộn phát hiện khi rotor quay, cho phép theo dõi chính xác vị trí của rotor trong quá trình vận hành.
Resolver bao gồm hai thành phần chính là stator và rotor, trong đó stator chứa một cuộn kích thích và hai cuộn phát hiện, thường được ký hiệu là S và C Khi rotor quay, khoảng cách giữa stator và rotor thay đổi do hình dạng bầu dục của rotor Điện xoay chiều với tần số xác định được cung cấp cho cuộn kích thích.
Bộ điều khiển Cảm biến
Hình 2.23 Tín hiệu thu từ bộ Resolver [1]
Dòng điện trong cuộn kích thích tạo ra trường từ tính giữa stator và rotor Khi rotor quay, các cực từ trên rotor tương tác với trường từ tính này, dẫn đến sự thay đổi trong dòng điện và dạng sóng tại cuộn phát hiện S và C.
Các cuộn phát hiện S và C tạo ra dòng điện xoay chiều tương ứng với vị trí cực từ tính trên rotor Bộ biến tần kết hợp với bộ chuyển đổi (MG ECU) có khả năng xác định vị trí tuyệt đối của rotor thông qua việc phân tích các pha và độ cao của các dòng điện này.
Bằng cách tính toán sự thay đổi vị trí trong khoảng thời gian xác định, CPU có thể sử dụng resolver như một cảm biến tốc độ để đo lường và điều khiển chính xác tốc độ quay của động cơ.
MG ECU theo dõi tín hiệu đầu ra từ resolver để phát hiện lỗi hoạt động, từ đó đảm bảo tính tin cậy và hiệu suất tối ưu của hệ thống.
2.10.2 Ưu, nhược điểm của resolver so với các loại cảm biến khác Ưu điểm:
Resolver nổi bật với tính đáng tin cậy cao, đặc biệt là trong các môi trường làm việc khắc nghiệt như động cơ và máy phát điện Chúng có tuổi thọ dài và khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện bụi bẩn, rung động và nhiệt độ cao.
Resolver mang lại độ chính xác cao trong việc xác định vị trí và tốc độ quay của rotor, là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu kiểm soát chính xác, đặc biệt trong ngành công nghiệp và hệ thống tự động hóa.
Resolver có độ bền cao nhờ vào cấu trúc cơ khí đơn giản và không có bộ phận chạm trực tiếp, giúp giảm thiểu hỏng hóc so với các cảm biến khác như encoder Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giảm chi phí bảo trì và thay thế.
Resolver có khả năng chịu đựng sai lệch căn chỉnh và biến dạng không gian nhỏ, giúp chúng hoạt động ổn định ngay cả trong môi trường có độ chính xác không cao Điều này cho phép resolver duy trì hiệu suất tốt khi có sự di chuyển và lệch lạc trong hệ thống.
Resolver có kích thước lớn và khối lượng nặng hơn so với nhiều loại cảm biến khác, điều này có thể gây khó khăn trong việc tích hợp và lắp đặt, đặc biệt trong không gian hạn chế hoặc các ứng dụng yêu cầu trọng lượng nhẹ.
Resolver có chi phí cao hơn so với các loại cảm biến khác như encoder hay potentiometer, điều này có thể ảnh hưởng đến quyết định lựa chọn resolver trong những ứng dụng có ngân sách hạn chế.
Việc thiết kế, lắp đặt và vận hành resolver yêu cầu kỹ thuật cao và kiến thức chuyên môn sâu Điều này có thể làm tăng độ phức tạp và khó khăn trong việc triển khai cũng như bảo trì các hệ thống sử dụng resolver.
Sin PWM ba pha
Sin PWM ba pha là phương pháp điều khiển động cơ ba pha thông qua việc tạo ra các xung điện áp dạng sóng sin với biên độ và tần số cố định Phương pháp này thường được áp dụng trong việc điều khiển các loại động cơ như PMSM (Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu) và BLDC (Động cơ DC không chổi than).
Trong Sin PWM ba pha, ba tín hiệu xung điều khiển được tạo ra cho từng pha của động cơ ba pha Các tín hiệu này có tần số giống nhau và chênh lệch pha 120 độ Mỗi thời điểm, duty cycle của các tín hiệu sẽ khác nhau nhằm tạo ra điện áp sóng sin.
2.11.1 Tạo tín hiệu sóng sin
Động cơ không đồng bộ ba pha thường hoạt động với dòng điện xoay chiều ba pha có tần số từ 50Hz đến 60Hz, và đồ thị điện áp của nó có hình dạng đặc trưng như hình dưới đây.
Hình 2.24 Xung sine PWM ba pha
Sóng sine trong hình trên có tần số 50Hz, và độ lớn của sóng điện áp hình sine được thể hiện bằng đại lượng RMS (Root Mean Square) Công thức tổng quát để tính RMS là một phần quan trọng trong việc đánh giá sóng điện áp.
X N đại diện cho tất cả các giá trị rời rạc được đo ở mọi điểm trên đồ thị hình sine Trong thực tế, việc đo lường tất cả các điểm này là không khả thi; tuy nhiên, việc đo nhiều điểm hơn sẽ giúp giá trị tiến gần hơn đến công thức chính xác.
√2 Trong đó, V m là giá trị cực đại của biên độ sóng sine
Điện xoay chiều 1 pha tại Việt Nam thường được đo với giá trị 220V, đây chính là giá trị RMS Biên độ điện áp cực đại của điện xoay chiều 1 pha có thể được xác định từ giá trị này.
2.11.2 So sánh với tín hiệu tam giác (sóng mang)
Quá trình tạo Sin PWM ba pha dựa trên việc so sánh tín hiệu sóng tam giác với tín hiệu sóng sin tham chiếu Tín hiệu này thường được tạo ra bằng bộ đếm hoặc bộ tạo xung Qua so sánh, các xung điều khiển được sinh ra bằng cách điều chỉnh duty cycle, từ đó tạo ra điện áp sóng sin để điều khiển động cơ.
Hình 2.25 Sóng mang và sóng hoạt động
Trong hình ảnh được trình bày, sóng mang có tần số 1kHz Sử dụng hai sóng tam giác, một ở phần dương và một ở phần âm Nếu ký hiệu fc là tần số của sóng mang và fm là tần số của sóng hoạt động, thì tỷ số giữa chúng sẽ được xác định.
Trong một chu kỳ sóng sine 50Hz, có 20 chu kỳ sóng mang 1kHz Sine PWM được hình thành thông qua việc so sánh giá trị biên độ của sóng mang với biên độ của sóng sine.
Hình 2.26 Cách tạo ra Sine PWM bằng sóng mang và sóng sine
Quá trình so sánh tạo ra tín hiệu PWM ba pha, trong đó độ rộng xung được điều chỉnh theo kết quả so sánh Khi giá trị sóng sin vượt qua giá trị tín hiệu tam giác tại một thời điểm nhất định, tín hiệu PWM sẽ ở mức cao; ngược lại, nếu sóng sin thấp hơn tín hiệu tam giác, tín hiệu PWM sẽ ở mức thấp.
Sơ đồ bố trí IGBT được cho như hình dưới
Hình 2.27 Sơ đồ bố trí IGBT
Trạng thái của 6 IGBT cho như bảng sau:
2.11.3 Điều chỉnh độ rộng xung Độ rộng xung của tín hiệu PWM được điều chỉnh để điều khiển công suất và tốc độ của động cơ Bằng cách điều chỉnh độ rộng xung, ta có thể điều chỉnh tỷ lệ mở đóng của công tắc điện trong hệ thống điều khiển và từ đó điều chỉnh công suất đưa vào động cơ Tỷ lệ mở đóng càng lớn, công suất đưa vào động cơ càng cao và ngược lại
2.11.4 Đồng bộ giai đoạn Để đảm bảo sự hoạt động chính xác của động cơ ba pha, cần đồng bộ giai đoạn giữa tín hiệu PWM ba pha và vòng lặp điều khiển Điều này đảm bảo rằng mỗi pha của động cơ sẽ nhận được tín hiệu điện áp tương ứng đúng thời điểm để tạo ra từ trường xoay chiều mong muốn
2.11.5 Điều chỉnh tần số và độ rộng xung Để điều khiển tốc độ của động cơ, có thể điều chỉnh tần số của tín hiệu PWM ba pha Tần số cao hơn sẽ tạo ra tốc độ quay cao hơn và ngược lại
Tần số của STM32F411CEU6 kết thúc 1 xung PWM và cập nhật giá trị ARR (Auto Reload Value) mới là:
- f TIMER : là giá trị cuối cùng của bài toán, đơn vị là Hz
- f SYSTEM : tần số clock hệ thống được chia cho timer sử dụng, đơn vị là Hz
- PSC: giá trị nạp vào cho bộ chia tần số của timer
- ARR: giá trị bộ đếm nạp vào cho timer Tối đa là 65535
Với giá trị fSYSTEM = 90MHz, ARR = 10000, PSC = 0 Ta tính được tần số sóng mang PWM là: fc = 𝑓 𝑇𝐼𝑀𝐸𝑅 = 90.10
6 (0+1)(10000+1) ≈ 9000𝐻𝑧 = 9𝑘𝐻𝑧 Với bản đồ 75 giá trị (bán chu kỳ sine), tần số sóng hoạt động là:
Để tạo ra xung 3 pha từ 2 pha, cần xuất tín hiệu PWM lệch nhau 120 độ cho các chân tương ứng Việc này yêu cầu sự kết hợp giữa phần mềm và phần cứng, với mã STM32F411CEU6 được mô tả trong phụ lục Ngoài ra, điều chỉnh độ rộng xung của tín hiệu PWM có ảnh hưởng đến tốc độ và công suất động cơ; độ rộng xung lớn hơn sẽ cung cấp công suất lớn hơn, giúp động cơ hoạt động mạnh mẽ hơn.
Biên độ tín hiệu PWM có thể được điều chỉnh để kiểm soát công suất cung cấp cho động cơ, với biên độ lớn hơn dẫn đến công suất cao hơn và giúp động cơ hoạt động mạnh mẽ hơn.
Đường đặc tính moment xoắn – tốc độ động cơ và phương pháp Volt/Frecency
2.12.1 Đường đặc tính moment - tốc độ của động cơ điện 3 pha PMSM Đường cong tốc độ theo moment của một động cơ không đồng bộ được thể hiện trong hình sau
Hình 2.29 Đường cong tốc độ theo moment xoắn
Độ dốc của động cơ không đồng bộ tại điểm X và Y là tương đương, nhưng tại điểm X, động cơ không ổn định Điều này xảy ra vì khi tăng tải, tốc độ động cơ sẽ giảm.
Khi tải trọng tăng lên, mô-men xoắn do động cơ sản sinh sẽ giảm, dẫn đến khả năng chịu tải của động cơ giảm sút Điều này có thể làm chậm tốc độ động cơ và thậm chí gây ra tình trạng ngừng hoạt động.
Tại điểm Y, động cơ hoạt động ổn định trong vùng làm việc, khi tăng tải, tốc độ sẽ giảm nhưng moment xoắn sẽ tăng, giúp động cơ chạy hiệu quả dưới tải.
Trên đường cong tốc độ theo moment xoắn, vùng BC đại diện cho sự không ổn định, trong khi vùng AB thể hiện sự ổn định và là vùng hoạt động của động cơ không đồng bộ.
2.12.2 Điều khiển điện áp theo tần số
Phương pháp điều khiển điện áp theo tần số (V/f) là một kỹ thuật phổ biến trong việc điều khiển động cơ 3 pha PMSM (Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu) Kỹ thuật này giúp duy trì tốc độ và mô-men xoắn chính xác bằng cách điều chỉnh đồng thời điện áp và tần số đầu vào.
Phương pháp điều khiển V/f giúp điều chỉnh tỷ lệ giữa điện áp và tần số đầu vào, nhằm tối ưu hóa việc chuyển đổi năng lượng điện tử thành năng lượng cơ học một cách hiệu quả Dưới đây là các bước cơ bản của phương pháp này.
Để đạt được tốc độ mong muốn cho động cơ PMSM, bước đầu tiên là xác định tần số đích cần thiết.
Tỷ lệ V/f (Voltage/Frequency ratio) là một thông số quan trọng trong phương pháp điều khiển V/f, được xác định theo công thức V/f = K Trong đó, K là hằng số phụ thuộc vào đặc tính của động cơ và các yếu tố khác liên quan.
Điều chỉnh điện áp đầu vào cho động cơ PMSM là yếu tố quan trọng, khi điện áp đầu vào được điều chỉnh theo tỷ lệ tuyến tính với tần số đầu vào Khi tần số tăng, điện áp cũng tăng tương ứng để giữ tỷ lệ V/f không đổi, giúp duy trì hoạt động ổn định của động cơ và đạt được moment xoắn mong muốn.
Để điều khiển tốc độ quay của động cơ PMSM, tần số đầu vào cần được điều chỉnh Khi tốc độ mong muốn tăng, tần số đầu vào cũng phải tăng theo, và ngược lại.
Để nâng cao hiệu suất và cải thiện độ phản hồi, việc điều chỉnh tham số điều khiển là rất cần thiết Có thể áp dụng phương pháp điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) hoặc các kỹ thuật điều khiển khác nhằm điều chỉnh điện áp và tần số dựa trên tốc độ và moment xoắn mục tiêu.
Phương pháp điều khiển V/f là giải pháp hiệu quả để điều chỉnh tốc độ và moment xoắn của động cơ PMSM một cách ổn định và chính xác Phương pháp này được ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp và dân dụng, nơi yêu cầu khả năng kiểm soát chính xác tốc độ quay và moment xoắn của động cơ.
2.12.3 Những giới hạn bởi những vùng moment xoắn không đổi và công suất biến tần không đổi
Vấn đề quan trọng trong bộ biến tần là đảm bảo dòng điện không vượt quá giới hạn an toàn cho thiết bị đóng ngắt và động cơ Dòng điện tối thiểu phải bằng dòng định mức của động cơ, với các mạch điều khiển được thiết kế để duy trì giá trị dòng điện đầu ra an toàn Các sơ đồ mạch điều khiển hiện đại cho phép điều khiển độc lập các thành phần tạo ra từ thông và moment của dòng điện, đồng thời xác định giới hạn trên cho moment xoắn cho phép Trong vùng dưới tốc độ cơ bản, moment xoắn cho phép tương ứng với moment xoắn định mức của động cơ, như được thể hiện trong hình minh họa.
Hình 2.30 Các vùng đặc tính trên động cơ
Trong vùng tốc độ cơ bản, điện áp không thể tăng, dẫn đến từ thông giảm tỷ lệ nghịch với tần số Dòng stator bị giới hạn, khiến moment xoắn cực đại cũng giảm tương ứng với tốc độ Khu vực này được gọi là vùng công suất không đổi, nơi từ thông giảm và động cơ cần hoạt động với độ trượt cao hơn so với tốc độ cơ bản để tăng đủ dòng rotor và moment xoắn bị giảm xuống.
XÂY DỰNG HỆ THỐNG
Tổng quan về hệ thống
3.1.1 Mục tiêu của hệ thống
- Vận hành và điều khiển động cơ điện 3 pha PMSM bằng nguồn điện 1 chiều
DC 60V từ bộ nguồn đa năng
- Thu được tín hiệu tốc độ của động cơ nhằm xác định các vùng hoạt động của động cơ
- Biết được vùng tăng áp của động cơ khi khởi động và tránh được việc động cơ hoạt động không ổn định
- Kiểm soát được sự quá dòng của động cơ khi hoạt động với tần số cao và tránh được những hư hỏng khi có sự cố xảy ra
3.1.2 Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 3.1 Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống Các chức năng của từng khối
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện cho các khối hoạt động
Tín hiệu đầu vào của hệ thống được cung cấp từ một biến trở, có nhiệm vụ gửi giá trị thay đổi của biến trở về bộ điều khiển.
Bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý tín hiệu điều khiển đầu vào, từ đó tạo ra các tín hiệu điều khiển tương ứng về tần số và điện áp, nhằm điều khiển động cơ PMSM một cách hiệu quả.
Bộ nghịch lưu là thiết bị cung cấp xung điện áp và dòng điện chính xác cho động cơ PMSM theo chế độ điều khiển Nó có chức năng chuyển đổi nguồn điện một pha thành nguồn điện ba pha, đảm bảo cung cấp năng lượng hiệu quả cho động cơ.
Động cơ PMSM là thành phần quan trọng trong hệ thống, nhận tín hiệu điều khiển từ biến tần Nó có khả năng chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học, tạo ra moment xoắn và tốc độ quay tương ứng.
3.1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Tín hiệu đầu vào Bộ điều khiển
Bộ nghịch lưu Động cơ PMSM
Khi các khối được kết nối với nhau tạo thành một hệ thống và sẽ hoạt động theo trình tự sau
- Bước 1: Khi được cấp nguồn toàn bộ hệ thống sẽ khởi động, khối điều khiển trung tâm sẽ chờ sẵn tín hiệu từ sự thay đổi của biến trở
- Bước 2: Khi có tín hiệu đầu vào được điều khiển từ biến trở tín hiệu này sẽ thông qua bộ chuyển đổi ADC gửi đến bộ điều khiển
Bước 3: Bộ điều khiển tiếp nhận tín hiệu đầu vào và thực hiện tính toán dựa trên các hàm đã được lập trình trong STM32F411CEU6, nhằm xuất ra tín hiệu SPWM với độ chính xác cao nhất.
Các xung tín hiệu SPWM sẽ được gửi đến bộ nghịch lưu, nơi 3 bộ IR2103 điều khiển 6 IGBT để tạo ra điện áp khuếch đại theo tín hiệu xung SPWM Điều này cung cấp nguồn 60V cho động cơ, phù hợp với các pha tần số và moment của xe.
Thiết kế mạch hệ thống
3.2.1.1 Phần nguồn Để tạo ra được tín hiệu SPWM từ nguồn điện xoay chiều 3 pha 60V và thay đổi điện áp phù hợp với dải tần số 0-50Hz, nhóm nghiên cứu quyết định chọn vi điều khiển STM32F411CEU6 vì nó đáp ứng được những yêu cầu trên Không những vậy mà nó còn có kích thước nhỏ gọn và nằm trong chương trình học, do đó mức độ tiếp cận hoàn toàn nằm trong khả năng của nhóm
Nguồn điện cho vi điều khiển được cấp từ mạch bảo vệ với điện áp 12V, qua mạch ổn áp LM7805 để tạo ra nguồn một chiều 5V cho STM32F411CEU6 Bộ điều khiển sử dụng dao động thạch anh với tần số 25MHz từ HSE và 32,758KHz từ LSE để đảm bảo ổn định và không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, khác với mạch dao động RC.
3.2.1.2 Phần tạo tín hiệu Để tạo được xung SPWM, nhóm nghiên cứu dựa trên nguyên lý làm việc của bộ biến tần, vi điều khiển STM32F411CEU6 Nhóm sử dụng chức năng Timer PWM của STM32F411CEU6 với các bước như sau:
Để tạo bảng dữ liệu chứa các giá trị của sóng sin, bạn cần tính toán các giá trị của hàm sin với các góc tương ứng Số lượng giá trị trong bảng dữ liệu sẽ ảnh hưởng đến chu kỳ và độ phân giải thời gian của timer.
Hình 3.2 Tạo bảng dữ liệu sóng sin
Để thiết lập tín hiệu đầu vào cho chân GPIO của vi điều khiển STM32F411CEU6, cần kết nối tín hiệu từ cảm biến tay ga hoặc biến trở Việc này cho phép vi điều khiển điều khiển hoạt động dựa trên các điều kiện cụ thể.
Hình 3.3 Tạo tín hiệu đầu vào
Để thiết lập timer và cấu hình ngắt (interrupt), cần cấu hình ngắt cho timer nhằm tạo ra sóng sin từ bảng dữ liệu Khi timer đạt đến một giá trị xác định, ngắt sẽ được kích hoạt, cho phép lấy giá trị từ bảng dữ liệu, từ đó tạo ra xung.
SPWM, hay còn gọi là bản đồ, thể hiện tần số và giá trị điện áp hoạt động Bản đồ này được hình thành từ giao điểm giữa sóng mang và sóng hoạt động.
Thiết lập timer 2 và 3 với các thông số Prescaler (PSC), Counter Mode và Slave Mode theo yêu cầu, mỗi timer sẽ tạo ra 3 kênh tín hiệu cho cặp chân HIN, LIN của IR2103 Tiếp theo, thiết lập timer 1 ở chế độ Trigger Mode để đồng bộ hóa timer 2 và 3 theo tín hiệu của timer 1, nhằm cải thiện độ chính xác của tín hiệu điều khiển.
Hình 3.7 Khởi tạo timer và ngắt timer
Dùng lệnh HAL_TIM_PWM_START để khởi tạo tín hiệu xung PWM ở từng kênh của timer Dùng lệnh HAL_TIM_BASE_START_IT để tạo lệnh ngắt timer [2]
Sau khi kích hoạt ngắt, cần cập nhật giá trị của timer và lặp lại quy trình để tạo ra sóng sin liên tục.
3.2.1.3 Thiết lập tỉ lệ sóng mang và sóng hoạt động
Để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và đáp ứng tốt các yêu cầu về độ ổn định, cần tạo ra các xung điều khiển có tần số fc, đồng thời điều chỉnh tần số quay của động cơ fm sao cho tỷ lệ fc/fm được tối ưu hóa.
Trong đó các giá trị fc và fm được tính theo công thức: f c = 𝑓 𝑆𝑌𝑆𝑇𝐸𝑀
Giá trị ARR được tính theo công thức:
- fc : giá trị tần số sóng mang, đơn vị là hz
- fm: giá trị tần số sóng hoạt động
- f SYSTEM : tần số clock hệ thống được chia cho timer sử dụng, đơn vị là hz
- num_levelS: số phần tử trong bảng giá trị của sóng sin
- PSC: giá trị truyền vào được lập trình bằng phần mềm
- ARR: giá trị bộ đếm nạp vào cho timer Tối đa là 65535
Duy trì tỉ lệ fc/fm ổn định:
Tạo bảng giá trị nửa chu kỳ sin với 360 phần tử cho tín hiệu cao và thấp, đồng thời chọn tần số hoạt động FM mong muốn trong khoảng từ 1 đến 50Hz Từ đó, ta có thể tính toán các giá trị như tần số sóng mang fc và giá trị bộ đếm ARR.
Hình 3.9 Bảng giá trị cao
Hình 3.10 Bảng giá trị thấp
Hình 3.11 Thiết lập tần số mong muốn
Hình 3.12 Tính các giá trị liên quan
Hình 3.13 Cập nhật giá trị ARR
Để thiết lập các dãi tần số hoạt động, cần xác định giá trị ADC đầu vào kết hợp với các thông số như số phần tử bảng sin (Num_Levels), giá trị PSC và f_sys nhằm tính toán giá trị ARR (Auto_Reload_Register_estimate) Đồng thời, cần đảm bảo giá trị ARR không vượt quá giá trị tối đa của thanh ghi Cuối cùng, cập nhật giá trị ARR bằng lệnh _HAL_TIM_SET_AUTORELOAD.
Xác định tỷ lệ V/f (Voltage/frequency ratio): Tỷ lệ V/f là một thông số qua xác định tỉ lệ V/f (Voltage/frequency ratio) mong muốn được xác định bởi cong thức V/f
K là hằng số được xác định dựa trên đặc tính của động cơ và các yếu tố khác Khi tần số hoạt động fm thay đổi, điện áp vào cũng cần được điều chỉnh theo tỷ lệ tương ứng để duy trì tỷ lệ V/f không đổi.
Tỷ lệ V/f được tính như sau:
- Vđm: điện áp định mức để động cơ hoạt động tốt (V)
- fđm : tần số định mức để động cơ hoạt động tốt (Hz)
- Vhđ : điện áp hoạt động để điều khiển động cơ (V)
- fhđ : tần số hoạt động để điều khiển động cơ (Hz)
Duty cycle là tỷ lệ thời gian tín hiệu điện áp được bật so với tổng thời gian chu kỳ, và đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp đầu ra Bằng cách thay đổi duty cycle của tín hiệu xung điều khiển, điện áp đầu ra có thể được điều chỉnh hiệu quả Công thức tính duty cycle là: duty cycle = 𝑉𝑜𝑢𝑡.
Từ đó ta sẽ xuất ra được tính hiệu xung ứng với điện áp và tần số phù hợp, giữ được tỷ lệ V/f hợp lý
Hình 3.14 Lưu trữ giá trị bảng
Hình 3.15 Thiết lập tỉ lệ V/f ứng với vùng hoạt động
Hình 3.16 Xuất xung ứng với điện áp và tần số phù hợp
Nhóm nghiên cứu đã xác định tỉ lệ V/f theo từng vùng tần số, với tỉ lệ 4 cho dải tần số thấp và tỉ lệ 3 cho dải tần số vừa đến cao Những tỉ lệ này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo động cơ hoạt động ổn định.
STM32F411CEU6 sẽ điều khiển tín hiệu đóng ngắt IGBT bằng xung PWM tương tự sóng sine thông qua IR2103 và mạch dẫn động khóa công suất (boostrap)
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
Thiết kế và thi công mạch điều khiển
- Tạo ra bộ điều khiển có độ chính xác cao và an toàn
- Nhận tín hiệu phản hồi từ tay ga để thay đổi tần số phù hợp
4.1.2 Thiết kế mạch điều khiển
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
4.1.3 Thi công mạch điều khiển
Tiến hành hàn mạch theo sơ đồ nguyên lý, sau đó nạp chương trình vào vi điều khiển để kiểm tra phần mềm và xác định độ chính xác của các tín hiệu trong mạch.
4.1.4 Kiểm tra mạch điều khiển
Sau khi hoàn tất thiết kế và thi công mạch điều khiển, nhóm tiến hành đo tín hiệu xung tại từng chân xuất tín hiệu của STM32F411CEU6T6 đến các chân của opto.
Hình 4.3 Kiểm tra tín hiệu mạch điều khiển
Tín hiệu xung đo được hiển thị trên màn hình máy đo xung như hình sau:
Hình 4.4 Tín hiệu xung mạch điều khiển
Tín hiệu xung kênh 1 từ vi điều khiển STM32F411CEU6 đại diện cho tín hiệu High, với các giá trị xung tương ứng với bảng sin bán kỳ dương.
Tín hiệu xung kênh 2 từ vi điều khiển STM32F411CEU6 đại diện cho tín hiệu Low, với các giá trị xung tương ứng với bảng sin bán kỳ âm.
Thiết kế và thi công mạch dẫn động khóa công suất
- Điều khiển các khóa bán dẫn công suất IGBT ở phía cao và phía thấp
- Khuếch đại tín hiệu từ mạch điều khiển thông qua IGBT để điều khiển động cơ
4.2.2 Thiết kiết mạch dẫn động khóa công suất
Hình 4.5 Sơ đồ mạch dẫn động khóa công suất
4.2.3 Thi công mạch dẫn động khóa công suất
Hình 4.6 Thi công mạch dẫn động khóa công suất
Tiến hành hàn mạch theo sơ đồ nguyên lý, sử dụng các cổng cắm dây để kết nối mạch điều khiển với mạch công suất, nhằm truyền tín hiệu điều khiển hiệu quả.
4.2.4 Kiểm tra mạch dẫn động khóa công suất
Sau khi hoàn thành thiết kế và thi công mạch, cần sử dụng các cổng cắm dây để kết nối với mạch điều khiển Điều này cho phép tín hiệu từ mạch điều khiển truyền đến các chân HIN và LIN của IR2103, từ đó đo các tín hiệu điều khiển của các cặp chân High và Low của IGBT.
Hình 4.7 Kiểm tra tín hiệu đầu ra tại IR2103
Hình 4.8 Đo tín hiệu Low tại chân IGBT
Hình 4.9 Đo tín hiệu High tại chân IGBT
Hình 4.10 Tín hiệu điều khiển của các cặp chân IBGT
- Tín hiệu xung kênh 1 ứng với tín hiệu High được phát từ chân IGBT phía cao
- Tín hiệu xung kênh 2 ứng với tín hiệu Low được phát từ chân IGBT phía thấp.
Hoàn thiện mạch và kết nối với động cơ
- Điều khiển động cơ 3 pha PMSM
- Mạch hoạt động chính xác và ổn định hơn
4.3.2 Thiết kế mạch nguyên lý
Nhóm tiến hành kết nối các mạch với nhau và kết nối với động cơ 3 pha PMSM với nhau
Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ 3 pha PMSM
4.3.3 Lắp ráp mạch nguyên lý
Nhóm tiến hành lắp ráp mạch để hoàn thiện mạch nguyên lý theo như sơ đồ
Hình 4.12 Mạch điều khiển động cơ 3 pha PMSM
4.3.4 Kiểm tra mạch nguyên lý
Hình 4.13 Dùng bóng đèn để đo tín hiệu
Hình 4.14 Tín hiệu sóng sin thu được từ bóng đèn
Sử dụng bóng đèn để thu tín hiệu xung từ từng pha của dòng điện, chúng ta nhận thấy tín hiệu xung thu được có dạng hình sin, tương tự như ở các pha khác.
Tiến hành tương tự với nguồn điện cao áp 220V Ta cũng thu được tín hiệu xung sin trên bóng đèn
Hình 4.15 Tín hiệu bóng đèn từ nguồn cao áp
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Mục đích
- Xác định được vùng khởi động tần số thấp bằng thực nghiệm và kiểm tra tín hiệu tốc độ khi vận hành xe
- Kiểm tra, so sánh kết quả dưới các điều kiện làm việc thực tế với lý thuyết tính toán
- Đánh giá mức độ an toàn, ổn định của hệ thống
- Tìm ra các giải pháp tối ưu để cải tiến và hoàn thiện hệ thống
- Tìm ra những mặt hạn chế, từ đó vạch ra hướng đi tiếp theo cho hệ thống.
Các thiết bị hỗ trợ thực nghiệm
- Đồ hồ đo tốc độ
Tiến hành thực nghiệm
5.3.1 Lắp đặt động cơ 3 pha PMSM
Nhóm nghiên cứu sử dụng động cơ 3 pha PMSM với công suất 60kW trên hộp số ECVT của xe Toyota Prius 2010, được kết nối theo kiểu hình sao Hình 5.1 và bảng 5.1 minh họa hình ảnh cùng thông số cấu tạo của động cơ này.
Hình 5.1 Động cơ ba pha 60kW
Hình 5.2 Động cơ mắc hính sao
Tham số Giá trị Đơn vị
Công suất định mức 60 kW
Tần số định mức 5000 Hz Điện áp định mức (hình tam giác) 650 V
Số rãnh trong stator 48 Rãnh
Cuộn dây nối tiếp mỗi pha 8 Cuộn
Bảng 5.1 Thông số cấu tạo của động cơ 60kW
Hình 5.3 trình bày mô hình tổng quát hệ thống động cơ
Hình 5.3 Thực nghiệm trên động cơ 3 pha PMSM
Ba dây của động cơ được kết nối với ba cổng đầu ra của mạch điều khiển Bộ nguồn sử dụng có điện áp 60V và cường độ dòng điện giới hạn ở mức 3A, cung cấp năng lượng cho mạch điều khiển.
5.3.2 Kết quả thực nghiệm trên mô hình băng thử động cơ
Một số cài đặt ban đầu của thực nghiệm:
- Đối tượng thử nghiệm: động cơ 3 pha PMSM 60kW
- Bộ nguồn được cài đặt có mức cường độ dòng điện tối đa là 3A
- Điều kiện nhiệt độ phòng thí nghiệm ở mức tiêu chuẩn 25 o C
- Mức điện áp hoạt động cho phép của bộ nguồn đa năng là 60V Đo kiểm tín hiệu điều khiển
Trong thí nghiệm này, mạch điều khiển được thiết lập với tần số sóng mang dao động từ khoảng 1800 đến 18000 Hz, tương ứng với tần số hoạt động từ 5 đến 50 Hz, nhằm mục đích đo tín hiệu điều khiển đầu ra từ vi điều khiển.
Vi điều khiển phát ra 6 tín hiệu điều khiển đầu ra cho mạch dẫn động khóa công suất IR2103, được tổ chức thành 3 cặp Việc đo tín hiệu ở tần số 5 Hz và 50 Hz cho phép quan sát sự khác biệt về độ rộng xung.
Hình 5.4 và 5.5 minh họa tín hiệu đầu ra của cặp tín hiệu ở hai tần số khác nhau Kênh 1 thể hiện tín hiệu SPWM được gửi đến chân HIN của IR2013, trong khi kênh 2 là tín hiệu được truyền đến chân LIN.
Hình 5.4 Tín hiệu xung 5Hz đến HIN và LIN
Hình 5.5 Tín hiệu xung 50Hz đến HIN và LIN
Hai tín hiệu HIN và LIN được sử dụng để điều khiển bật tắt thiết bị nguồn của khóa bán dẫn IGBT Khi HIN ở mức cao và LIN ở mức thấp, khóa IGBT phía cao được bật, trong khi khóa IGBT phía thấp bị ngắt Ngược lại, khi HIN ở mức thấp và LIN ở mức cao, khóa IGBT phía thấp được bật, còn khóa IGBT phía cao sẽ bị ngắt.
Hình 5.5 cho thấy điện áp đầu ra tại các chân HO và LO của IR2103 được sử dụng để điều khiển trực tiếp các khóa bán dẫn IGBT
Hình 5.6 Tín hiệu xung 5Hz từ HO và LO
Hình 5.7 Tín hiệu xung 50Hz từ HO và LO
Các khóa bán dẫn IGBT có khả năng ngắt dòng điện một chiều liên tục, từ đó tạo ra sự biến đổi điện áp Điều này giúp điện áp tổng thể ở đầu ra của mỗi pha trở nên tương tự như điện áp hình sin.
Tại tần số 5Hz, thời gian kết thúc một chu kỳ kéo dài hơn so với tần số 50Hz Ở tần số 50Hz, độ rộng xung đạt giá trị tối đa, dẫn đến điện áp đầu ra cũng đạt mức cao nhất.
Điều khiển không hồi tiếp được sử dụng để xác định đặc tính của động cơ, bao gồm đặc tính momen và tốc độ, giúp đánh giá khả năng hoạt động của mạch điều khiển Phương pháp này cũng cho phép xác định chính xác các vùng hoạt động của động cơ 3 pha PMSM, bao gồm vùng tăng áp, vùng tuyến tính và vùng từ thông yếu Những thông tin này là cơ sở quan trọng để thiết lập các thông số đầu vào cho phương pháp điều khiển kín sau này Thực nghiệm cũng được tiến hành để tìm ra tỉ lệ V/f giúp động cơ hoạt động ổn định.
Trong quá trình điều khiển động cơ, nhóm đã xác định tỉ lệ V/f = 4, cho thấy động cơ hoạt động ổn định ở nhiều dải tần số mà không xảy ra hiện tượng quá dòng Tuy nhiên, ở dải tần số thấp, động cơ không khởi động được, trong khi ở dải tần số cao, momen động cơ giảm Từ đó, nhóm đã phân chia động cơ thành ba vùng hoạt động chính: vùng tăng áp, vùng tuyến tính và vùng từ thông yếu, trong đó việc điều khiển động cơ chủ yếu diễn ra ở vùng tăng áp.
- Thay đổi tỉ lệ V/f nhằm tăng điện áp đầu ra để tăng lực từ trên stator, đảm bảo đủ mạnh để thắng lực hút của rotor
- Nhóm đã thực nghiệm và xác định tỉ lệ V’/f = 4
- Kết quả là ở các dải tần số thấp, động cơ có khả năng khởi động ổn định và tạo ra moment xoắn lớn Điều khiển vùng tuyến tính
- Duy trì tỉ lệ V/f = 3, quan sát thấy động cơ hoạt động ổn định và không gặp hiện tượng quá dòng
- Moment xoắn của động cơ không bị suy giảm Điều khiển vùng từ thông yếu
- Khi tăng tần số, quan sát thấy moment xoắn của động cơ giảm
Thay đổi tỉ lệ V”/f lớn hơn tỉ lệ V/f của vùng tuyến tính giúp động cơ giảm moment xoắn, nhưng mức giảm này ít hơn so với tỉ lệ ban đầu.
Tỉ lệ V”/f không nên vượt quá 4 để bảo vệ linh kiện khỏi hư hỏng Nếu vượt quá giới hạn này, tín hiệu xung sin điều khiển có thể bị méo, dẫn đến hoạt động không ổn định và có nguy cơ xảy ra hiện tượng quá dòng.
Nhóm nghiên cứu đã chọn các dải tần số thực nghiệm từ 2Hz đến 50Hz, bao gồm các giá trị 3Hz, 4Hz, 5Hz, 7Hz, 10Hz, 13Hz, 15Hz, 20Hz, 25Hz, 30Hz, 40Hz, 45Hz và 50Hz Họ sử dụng đồng hồ đo tốc độ để ghi lại tốc độ động cơ và so sánh với tốc độ lý thuyết nhằm đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển.
Tốc độ lý thuyết động cơ được tính theo công thức:
Công thức tính toán là N = 60 * f * p (rpm), trong đó tần số hoạt động (f) được lựa chọn dựa trên các giá trị thực nghiệm từ 2Hz đến 50Hz Số cặp cực (p) được xác định theo thông số của động cơ điện PMSM, với giá trị là 6.
Hình 5.9 Đo tốc độ động cơ
Bảng 5.2 bên dưới trình bày kết quả của quá trình thử nghiệm
Tốc độ lý thuyết (Vòng/phút)
Tốc độ thực tế (Vòng/phút)
Bảng 5.2 Kết quả thống kê đường đặc tính momen-tốc độ
Động cơ điện 3 pha PMSM hoạt động trong ba vùng chính: vùng tăng áp, vùng tuyến tính và vùng từ thông yếu, dựa trên số liệu thực nghiệm và quan sát.