tìm hiểu và thực thi phương pháp điều khiển vector từ thông foc trên mcu tms320f28069 với động cơ pmsm

24 hghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchd

Trang 1

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài:

Sinh viên: NGUYỄN MINH NHỰT MSSV: 15109261

2 Tên đề tài

TÌM HIỂU VÀ THỰC THI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỪ THÔNG ( FOC ) TRÊN MCU TMS320F28069 VỚI ĐỘNG CƠ PMSM

72Thursday, June 13, 20249:07:23 PM9:07:23 PM72Thursday, June 13, 20249:07:23 PM9:07:23 PM72Thursday, June 13, 20249:07:23 PM9:07:23 PM

hghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lc

hghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lc

hghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lc

72hghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lcThursday, June 13, 2024

Trang 2

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Trang 3

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

1.2 Mục tiêu đề tài và phạm vi nghiên cứu của đề tài: 2

CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỮU 3

2.1 Giới thiệu chung về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM: 3

2.1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) 3

2.1.2 Phân loại PMSM 4

2.1.3 Ứng dụng của PMSM 5

2.2 Mô hình hoá động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu qua không gian vector: 6

2.2.1 Phương trình động cơ trong miền pha abc 7

2.2.2 Phương trình động cơ trong hệ tọa độ quay dq 12

2.2.3 Phép biến đổi Clark 13

2.2.4 Phép biến đổi Park: 15

2.3 Các phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu 16

2.3.1 Phương pháp điều khiển vô hướng V/f: 16

2.3.2 Phương pháp điều khiển mô men trực tiếp (DTC – Direct Torque Control) 17

2.3.3 Phương pháp điều khiển từ thông rotor (FOC – Field Oriented Control) 18

2.4 Khối nghịch lưu nguồn áp ba pha (three phase VSI – Three phase Voltage Soure Inverter) 19

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN VECTOR KHÔNG GIAN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 24

3.1 Lý thuyết điều khiển vector không gian - FOC: 24

3.1.1 Lịch sử phát triển Điều khiển vector không gian - FOC 24

hghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lchghieh euu dae diem lam hoe euc loai gioi xchh miehelic medioerix dchdy tai xa ham lahh huyeh xou eou tihh xoh lc722413069:07:22 PM9:07:22 PM722413069:07:22 PM9:07:22 PM722413069:07:22 PM9:07:22 PM

Trang 4

3.2 Điều chế độ rộng xung theo phương pháp không gian vector (SVPWM – Space

vector pulse width modulation): 25

3.3 Phương pháp Space Vector - SVPWM: 26

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG ROTOR – FOC CHO ĐỘNG CƠ PMSM 32

4.1 Cấu trúc điều khiển 32

4.2 Giới thiệu dòng vi điều khiển C-2000 cho hệ thống điều khiển động cơ kỹ thuật số (Digital Motor Control – DMC) 33

4.3 Giới thiệu vi điều khiển TMS320F28069 34

4.4 Xây dựng thuật toán: 35

4.5 Lập trình FOC cho vi điều khiển TMS320F28069: 38

4.5.1.Các khối trong thư viện DMC được sử dụng: 38

4.5.2 Chương trình chính: 42

CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 52

5.1 Mô hình thực nghiệm: 52

5.2 Kết quả thực nghiệm 55

5.2.1 Điện áp đầu ra thay đổi ứng với các dãi tốc độ khác nhau 56

5.2.2 Dòng điện tại các dây pha 57

Trang 5

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1: Mặt cắt PMSM: SPMSM (a) và IPMSM (b) [6] 5

Hình 2.2: Hệ thống điện cho phương tiện chạy điện và phối hợp điện-xăng 6

Hình 2.3: Mô hình tương đương cơ khí và điện của PMSM [6] 7

Hình 2.5: Vector dòng điện Stator ở hệ trục   [7] 13

Hình 2.6: is trong hệ trục ba pha và   [7] 14

Hình 2.7: Vector dòng điện stator trong hệ trục d-q [7] 15

Hình 2.8: Các phương pháp điều khiển động cơ AC [7] 16

Hình 2.9: Giải pháp điều khiển V/f dùng cho PMSM 17

Hình 2.10: Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển PMSM trong bộ điều khiển kết hợp mô men và vận tốc 17.

Hình 2.11: Cấu trúc của phương pháp điều khiển FOC [8] 19

Hình 2.12: Cấu trúc bộ nghịch lưu nguồn áp [3] 20

Hình 2.13: Cực điện áp của biến tần ba pha [3] 20

Hình 2.14: Điện áp dây 20

Hình 2.15: Điện áp pha 2 đóng cắt khác nhau: 21

Hình 2.16: Điện áp pha và dòng điện ias 22

Hình 3.17: Quy trình chuyển đổi hệ trục abc sang d-q [2] 25

Hình 3.18 : Một số ứng dụng của PWM 26

Hinh 3.19: Cấu trúc đơn của bộ biến tần sử dụng phổ biến thu gọn từ Hình 14 27

Hình 3.20: 8 trạng thái đóng ngắt ứng với biên độ và hướng [3] 28

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 6

Hình 3.23: 000-001-011-111 được xét [3] 30

Hình 3.24: Điện áp và dòng điện đầu ra của SVPWM [3] 31

Hình 4.25: Cấu trúc hệ điều khiển FOC động cơ PMSM có cảm biến [5] 32

Hình 4.26: Vi xử lý TMS320F28069 35

Hình 4.27: Cấu trúc giao tiếp với vi xử lý 35

Hình 4.28a: Lưu đồ giải thuật 36

Hình 4.28b: Lưu đồ giải thuật 37

Hình 5.29: board HV kit của TI và động cơ ESTUN EMJ-04APB22 52

Hình 5.30: Bộ điều chỉnh moment tải 53

Hình 5.31: Cảm biến moment của Bruster 53

Hình 5.32: Bộ nguồn DC 100v của Zhaoxin 53

Hình 5.33: Sơ đồ kết nối hoàn chỉnh hệ thống 54

Hình 5.40: Dòng điện ứng với tải 0.13 N.m 57

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

Hình 5.45: Đáp ứng tốc độ ( 0.2 pu) với moment tải 0.67N.m 60Hình 5.46: Đáp ứng tốc độ (0.65 pu) ở moment tải 0.67Nm 61

Trang 8

Trang 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỮU

1.1 Đặt vấn đề:

Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của ngành điện tử công suất, các bộ biến đổi công suất ngày càng nhanh hơn, mạnh mẽ hơn Mặt khác cùng với sự phát triển của các ngành điều khiển học, tin học đã tạo điều kiện dễ dàng cho việc ứng dụng chương trình số và toàn bộ hệ thống Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu rất hợp với loại hình truyền động này Loại máy này dần được ứng dụng vào hệ thống tự động, đòi hỏi sự đồng bộ tuyệt đối, nhất là những ứng dụng trong các máy công cụ, tàu điện hay các truyền động trực tiếp trong lĩnh vực tự động hóa

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh (PMSM) đóng vai trò như trái tim của hệ thống, được dùng rất phổ biến trong các loại xe điện, các robot công nghiệp, máy in và máy dệt, máy công cụ điều khiển số, máy công cụ cho lắp ráp linh kiện điện tử, máy công trình hiện nay, và nhiều loại máy khác [1,2]

Động cơ PMSM là loại động cơ có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các động cơ DC/AC không đồng bộ như: không cần chổi than, mật độ công suất lớn, momen xoắn cao, tốc độ quay cao, phát sinh rất ít nhiệt, tiết kiệm điện… Chính vì vậy mà PMSM được sử dụng phổ biến làm động cơ xe điện, tàu điện, robot, ổ cứng máy tính, hệ thống gia công CNC, trong y tế… Ưu điểm của PMSM nằm ở đặc tính công tác của nó Nhưng nhược điểm lại nằm ở việc điều khiển Các động cơ PMSM đòi hỏi phải có bộ điều khiển phức tạp Nhược điểm này có thể khắc phục bằng nhiều giải thuật điều khiển

Để đạt được hiệu quả điều khiển tối ưu, ngày càng nhiều phương pháp điều khiển phức tạp được thử nghiệm để điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Các vi điều khiển ngày nay ngày càng mạnh mẽ nên việc đưa vào chúng các giải thuật phức tạp không quá khó khăn nhưng vấn đề đặt ra là bộ nhớ hữu hạn Cho nên, sử dụng các phép chuyển đổi toán học để chia độc lập hai thành phần là mô-men và từ thông của đối tượng điều khiển, ở đây là động cơ PMSM Phương pháp đơn giản nhất là FOC – Field Oriented Control

Xuất phát từ những nhu cầu thực tế và cũng như tính cấp thiết của vấn đề, nên tác giả quyết định thực hiện đề tài nghiên cứu: “ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG FOC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU”

Trang 10

1.2 Mục tiêu đề tài và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Điều khiển từ thông (FOC – Field Oriented Control) được sử dụng chính trong các loại xe ô tô điện, xe scooter, … Được các hãng xe lớn hoặc các nhà phân phối OEMs (original equipment manufacturer) như Bosch, Tesla, Baidu, Continential,… áp dụng

*Phương pháp thực hiện

Để thực hiện đề tài này cần kết hợp thực hiện các phương pháp sau:

+Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu các vấn đề điều khiển FOC của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và các phương pháp đã được nghiên cứu trước đây

+Phương pháp thực nghiệm: lập trình và nạp chương trình ứng dụng trên máy tính để điều khiển và ghi nhận các kết quả

Trang 11

CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỮU

2.1 Giới thiệu chung về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM: 2.1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor)

Hình 2.1: Động Cơ ESTUN EMJ-04APB22

Dòng động cơ ESTUN EMJ được sản xuất trên công nghệ của Ý nên đáp ứng được đầy đủ tiêu chuẩn chất lượng để hoạt động được trong nhiều môi trường khác nhau Đặc điểm: độ phân giải encoder cao, độ dài cáp kết nối linh hoạt, thiết kế nhỏ gọn, có vỏ chồng tràn dầu

Ứng dụng của động cơ servo estun eml: bao bì, gỗ, nhựa, giấy, xi măng, bơm, quạt, cầu trục, nâng hạ…

Bảng 1: Thông số động cơ ESTUN EMJ-04APB22

Thông số Động cơ ESTUN EMJ-04APB22

Công suất định mức 400W Dòng điện định mức 2.7 A Điện áp pha định mức 200 V Tốc độ định mức 3000 r/min Momen định mức 1.27 N.m

Độ phân giải 10000 counts/rev

Trang 12

- Mo-men và công suất đầu ra cao trên mỗi đơn vị khối lượng so với kích thích điện từ

- Hiệu suất truyền động cao hơn do mật độ từ thông cao hơn trong khe hở không khí

- Cấu trúc đơn giản, dễ bảo trì

- Giảm chi phí phát sinh cho nhiều dòng máy do độ bền cao

2.1.2 Phân loại PMSM

Nhìn chung, phần lớn các động cơ PMSM hiện nay gồm stator ở phía ngoài với các dây dẫn và một rotor có nam châm vĩnh cửu Theo cấu tạo rotor, các động cơ PMSM với một sức điện động ngược hình sine có thể được phân loại thành hai nhóm chính: PMSM cực lồi, PMSM có nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt rotor (SPMSM – Surface permanent magnet synchronous motor), và PMSM cực ẩn, động cơ PMSM cực chìm (IPMSM – Interior permanent magnet synchronous motor)

Mặt cắt ngang của SPMSM điển hình được đưa ra như trong hình a Nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của trục rotor, SPMSM có khe hở không khí phân bố đều Thuộc tính này làm cho điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục là bằng nhau Kết quả là SPMSM chỉ tạo ra một mô-men từ So với IPMSM, SPMSM gần như bị giới hạn khả năng tạo từ thông Cấu hình rotor được gắn nam châm trên bề mặt sẽ đơn giản trong sản xuất và lắp đặt Tuy nhiên, các nam châm vĩnh cửu xuất hiện trực tiếp tại vùng phản kháng của phần ứng sẽ có nguy cơ bị từ khử Do cấu trúc rotor gắn bề mặt, tốc độ quay của trục sẽ bị giới hạn để các nam châm vĩnh cửu tại bề mặt rotor chống lại ảnh hưởng của lực ly tâm Do đó, SPMSM thường được dùng trong các ứng dụng tốc độ thấp ví dụ như hệ thống chuyển đổi năng lượng gió và các thiết bị trong nhà

Trang 13

Hình 2.1: Mặt cắt PMSM: SPMSM (a) và IPMSM (b) [6]

Mặt cắt ngang điển hình của một IPMSM được đưa ra như trong hình b, các nam châm được đặt phía trong lõi sắt rotor, điều này giảm thiểu đáng kể nguy cơ từ hóa của các nam châm vĩnh cửu trong quá trình hoạt động Do là rotor cực lồi, điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục là khác nhau Điều này làm xuất hiện đồng thời mô men của nam châm và mô men từ trở đều tham gia vào mô men tổng sinh ra trong động cơ IPMSM Do đó, IPMSM được dùng nhiều trong trong các hệ thống xe điện hoặc hybrid do đặc điểm giảm từ thông lớn và có khả năng sinh mô-men cao

2.1.3 Ứng dụng của PMSM

PMSM rất được quan tâm áp dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ như hệ thống điều khiển sức kéo bằng điện (electric traction drive systems-ETDS), trong các phương tiện chạy điện và trong các máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi (WECSs), trong các ứng dụng yêu cầu mật độ công suất và năng lượng cao trong cùng điều kiện khối lượng và kích thước

Mỹ là quốc gia dẫn đầu về thị trường cho các phương tiện chạy điện tiên tiến , ví

Trang 14

vehicles - EVs and HEVs), các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc giảm kích thước của các động cơ chạy xăng, Mỹ là nước phụ thuộc vào xăng dầu bên ngoài, và phát thải khí CO2 từ các phương tiện vận chuyển

Khi so sánh với các hệ thống truyền động sử dụng động cơ đốt trong thông thường, các hệ thống truyền động sử dụng điện có công suất đỉnh cao hơn, cải thiện hiệu suất động, có đặc tính mômen - tốc độ gần như lý tưởng, hiệu suất sử dụng năng lượng tốt hơn và giảm thiểu phát thải CO2 Tổng quát, motor động lực trong hệ thống truyền động điện được yêu cầu cung cấp một mô men xoắn lớn trong vùng tốc độ thấp (trong điều kiện khởi động) và dãy rộng có tốc độ cao và công suất không đổi

So sánh với các loại máy điện AC khác, PMSM có thể là thiết kế tốt để có một vùng vận tốc rộng hơn có công suất không đổi và hoạt động trong cả chế độ có mô men xoắn không đổi khi hoạt động dưới vận tốc cơ bản và chế độ công suất không đổi tại vận tốc trên định mức Hơn nữa, PMSM có mật độ công suất cao, mật độ mô men cao, hiệu suất cao, kích thước nên kích thước tổng cộng của hệ thống truyền động được giảm thiểu rất nhiều, đây là đặc điểm hấp dẫn trong ứng dụng phương tiện di chuyển Hiện nay, phương tiện chạy điện trang bị PMSM đã được sản xuất hàng loạt, ví dụ như Toyota’s Prius, Tesla model S, Baidu, BMW, Audi,

Hình 2.2: Hệ thống điện cho phương tiện chạy điện và phối hợp điện-xăng

Trong các loại máy phát điện khác nhau, PMSM đã được nhìn nhận là tốt hơn trong các ứng dụng WECS biến đổi công suất toàn bộ do ưu thế về hiệu quả sử dụng cao hơn, mật độ năng lượng cao hơn, chi phí bảo dưỡng thấp hơn, và tương thích lưới điện tốt hơn Tăng độ tin cậy cũng như hiệu suất cao hơn như trong mô tả trong hình trên làm cho PMSG thêm hấp dẫn với các thiết kế công suất hàng MW ngoài khơi, nơi mà các WECS được lắp đặt trong điều kiện khắc nghiệt và ít tiếp xúc với môi trường

2.2 Mô hình hoá động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu qua không gian vector:

Xây dựng mô hình toán học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Trang 15

động cơ ba pha có thể được đơn giản hóa đáng kể khi áp dụng phương pháp vector không gian

Do đó, khái niệm về một vector không gian được giới thiệu trước tiên trước khi thiết kế bộ điều khiển cho PMSM Một động cơ AC ba pha có thể được biểu diễn bằng cách sử dụng mô hình vector không gian Vector không gian biểu thị các biến động cơ AC, chẳng hạn như dòng điện, điện áp và từ thông Sử dụng nguyên lý vector không gian cho động cơ xoay chiều, các biến trong hệ thống ABC ba pha được chuyển thành khung đứng yên (gọi là chuyển đổi Clark) hoặc khung quay d-q (gọi là chuyển đổi Park)

2.2.1 Phương trình động cơ trong miền pha abc

Để có được các mô hình toán học của PMSM chúng ta cần phải áp dụng, tương ứng, định luật thứ hai Kirchhoff và định luật thứ hai của Newton về các bộ phận điện và cơ khí của động cơ

Hình 2.3: Mô hình tương đương cơ khí và điện của PMSM [6]

Phần điện: Từ hình 4, định luật 2 Kirchhoff có thể được áp dụng vào phần điện

của động cơ ta thu được:

là thành phần điện trở của mỗi pha      

Trang 16

asaa asab bsac caebsba asbb bsbc cbecsca ascb bscc cce

Trong đó L biểu thị các điện cảm pha tương ứng là  a, b, c, đại diện cho các

liên kết từ thông được cung cấp bởi các nam châm vĩnh cửu trong mỗi pha của stator Thông lượng này được coi là một hàm tuần của vị trí quay góc điện e

Với Lsllà điển cảm tự thân của mỗi pha và Lm

là giá trị trung bình của điện cảm từ hóa

Thay (2.3) và (2.4) vào phương trình (2.2), có thể viết lại phương trình (2.2) dưới dạng ma trận Tổng thông lượng từ hóa, được tạo ra bởi cả hai loại điện cảm và nam châm vĩnh cửu, được thể hiện như

Trang 17

Điều này có thể được thể hiện dưới dạng không gian trạng thái như (2.10)

Trang 18

        

Phần cơ: mô hình cơ của máy điện và phụ tải được biễu diễn đơn giản bằng cách

dùng định luật hai Newton Từ hình 2.3 ta có

cs abcabcabcpm

Trang 19

Với L Ws, pm

không là các hàm trong vị trí góc rotor e, mô men điện từ được

đưa ra bởi

 , với P là số cặp cực đông cơ

 

và cho vận tốc là

 

Trang 20

2.2.2 Phương trình động cơ trong hệ tọa độ quay dq

Để giảm thiểu sự phức tạp của phương trình vi phân thu được trong (2.10), được mô tả như trạng thái động của động cơ điện, mô hình được chuyển đổi sang hệ tọa độ trực giao dq0 Thông thường, để điều khiển máy điện ba pha, phương pháp điều khiển hướng từ thông (Field Oriented Control-FOC) được sử dụng để giảm thiểu cấu trúc điều khiển Vector dòng stator, đó là tổng dòng điện ba pha, được chuyển đổi đến hệ tọa tương đương, hệ tọa độ hai pha trên một trục cố định (abc) bằng biến đổi

Clark Để loại bỏ điện cảm biến thiên trong phương trình điện áp có thể áp dụng chuyển đổi Park ( dq) để đổi biến của stator sang hệ tham chiếu rotor Quá trình này được thực hiện như sau

dKK uR K i

dqs dqsdqddK

Trang 21

(2.16)

với d L Ise d mlà lực từ thông trong trục d; Telà mô men điện từ; TLlà mô

men phụ tải; các biến hệ thống U Ud, q

2.2.3 Phép biến đổi Clark

Hình 5 cho biểu diễn dòng điện ba pha được quy chiếu sang hệ trục  

Hình 2.5: Vector dòng điện Stator ở hệ trục   [7]

Thông thường, dòng điện ba pha của stator động cơ AC được định nghĩa là isA, isB và isC Vector dòng điện stator isα và isβ được mô tả ở dạng phức tạp:

Trang 22

Ngoài ra, phép biến đổi Clark ngược từ  sang hệ ba pha abc được viết như sau:

Trang 23

2.2.4 Phép biến đổi Park:

Như hình 7 cho thấy, dòng điện ba pha được biểu diễn lại trên hệ trục xoay d-q Phép biến đổi Park mục đích để chuyển đổi hệ tọa độ tĩnh  sang hệ tọa độ xoay d-q

Hình 2.7: Vector dòng điện stator trong hệ trục d-q [7] Vector dòng điện trong hệ trục d-q là:

Trang 24

Kết hợp hai phép biển đổi Park và Clark thu được phép biến đổi Park-Clark từ hệ ba pha sang hệ trục d-q

Phép biến đổi dòng điện stator từ ba pha abc sang d-q là:

2.3 Các phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu

Hiện nay có nhiều phương pháp để điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu theo hai cách là điều khiển vô hướng và điều khiển theo vector không gian Dưới dây sẽ tìm hiểu một số phương pháp điều khiển được nghiên cứu phổ biến hiện nay là v/f , Direct Torque Control – DTC và Field Oriented Control – FOC

Hình 2.8: Các phương pháp điều khiển động cơ AC [7]

2.3.1 Phương pháp điều khiển vô hướng V/f:

Hình 2.9 đưa ra phương pháp điều khiển V/f cho PMSM.Phương pháp điều khiển này được gọi là phương pháp điều khiển vô hướng V/f

Trang 25

Hình 2.9: Giải pháp điều khiển V/f dùng cho PMSM [7]

V/f là phương pháp điều khiển mà tỉ lệ giữa điện áp và tần số bằng một hằng số Do đó, đảm bảo điện áp đầu ra tỉ lệ với tần số và hằng số từ thông được duy trì, ngăn chặn hiện tượng bão hòa từ tính và từ trường yếu xảy ra

2.3.2 Phương pháp điều khiển mô men trực tiếp (DTC – Direct Torque Control)

Hiệu suất tốt hơn so với phương pháp điều khiển V/f có thể đạt được khi kết hợp điều khiển mô men và điều khiển vận tốc của máy điện trong bộ điều khiển Bộ điều khiển mô men và vận tốc có cấu trúc điều khiển được đưa ra trong hình 11 Mô men được tạo ra trong PMSM có quan hệ với dòng điện stator hồi tiếp đến bộ điều khiển như trong hình 2.8 Ngoài ra, như được giới thiệu phần đầu chương, để có được sự tự đồng bộ hóa, hồi tiếp vị trí góc rotor là một yếu tố quang trọng của bộ điều khiển

Điều khiển dòng điện stator được thực hiện dựa trên hệ quy chiếu hướng từ thông trong bộ điều khiển mô men Do đó, điều khiển PMSM với kiểu điều khiển mô men có thể được xem như là điều khiển dựa trên từ thông

Điều khiển vận tốc có thể đạt được bằng cách khep kín vòng lặp vận tốc bên ngoài vòng lặp mô men như trong hình 2.8 Hồi tiếp vận tốc có thể thu được từ tín hiệu cảm biến vị trí góc rotor

Hình 2.10: Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển PMSM trong bộ điều khiển kết hợp mô men và vận tốc

Trang 26

Với mục tiêu thu được việc điều khiển nhanh mô men, điều khiển mômen trực tiếp (direct torque control - DTC) PMSM cũng được đề xuất và được chú ý những năm gần đây việc ước lượng chính xác mô men và vận tốc là yêu cầu bắt buộc cho DTC

2.3.3 Phương pháp điều khiển từ thông rotor (FOC – Field Oriented Control)

Trong kỹ thuật điện, điều chế vector không gian (vector control), còn gọi là điều khiển tốc độ tựa từ thông (Field Oriented Control - viết tắt là FOC), là một phương pháp điểu khiển tần số (VFD) dòng điện của stator trong các đông cơ điện xoay chiều ba pha được chiếu bởi hai thành phần vuông góc, hai thành phần này có thể biểu diễn được trên vector không gian Thành phần thứ nhất xác định từ thông trên rotor của động cơ, thành phần thứ hai xác định mô men quay Bộ điều khiển sẽ tình toán các dòng điện tương ứng dựa vào từ thông, momen quay từ bộ điều khiển tốc độ động cơ Thường thì bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI controller) sẽ được dùng để đo các thành phần dòng điện trên tại các giá trị tham chiếu Bộ điều chế độ rông xung (PWM) của biến tần sẽ đóng ngắt các transistor dựa trên các mẫu điện áp stator từ đầu ra của bộ điểu khiển PI

FOC được dùng để điểu khiển tốc độ đông cơ xoay chiều đồng bộ và không đồng bộ Ban đầu nó được phát triển cho các ứng dụng cần động cơ hiệu suất cao, yêu cầu hoạt động trơn tru với tốc độ tối đa, tạo ra momen quay cực đại và có hiệu suất động năng cao, tăng và giảm tốc nhanh Tuy nhiên, nó đang trở nên ngày càng hấp dẫn đối với các ứng dụng hiệu suất thấp hơn để giảm tiêu thụ điện năng, giảm giá thành và kích cỡ của động cơ Trong tương lai, với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ vi xử lý, FOC sẽ dần dần thay thế bộ điều khiển đơn biến vô hướng volt-trên-Hertz (V/f) Chi tiết của giải thuật sẽ được trình bày ở chương 3

Trang 27

Hình 2.11: Cấu trúc của phương pháp điều khiển FOC [8]

2.4 Khối nghịch lưu nguồn áp ba pha (three phase VSI – Three phase Voltage Soure Inverter)

Cấu trúc của một nghịch lưu nguồn áp ba pha được biểu diễn như hình 14 bao gồm ba cực điện áp Mỗi cực được đóng ngắt độc lập so với các cực còn lại

Trong bộ biến tần ba pha, mỗi cực chịu trách nhiệm tạo ra một điện áp một pha Để làm như vậy, các công tắc của mỗi cực sẽ được bật và tắt luân phiên cứ sau nửa chu kỳ (1800 khoảng thời gian dẫn) theo cùng một cách với bộ biến tần một pha

Tuy nhiên, để đạt được điện áp ba pha, mỗi cực nên đặt lệch một góc 1200 Trong chu kỳ đóng cắt, ba trong số sáu khóa luôn mở, tần số đóng cắt của các linh kiện bán dẫn được thể hiện ở hình 15 như là ….123, 234, 345, 456, 561, 612 và quay trở lại 123 Trong trường hợp này, Trong trường hợp này, có sáu phần khác nhau trong một giai đoạn cơ bản của điện áp đầu ra Biến tần được vận hành bởi sơ đồ chuyển mạch này được gọi là biến tần sóng vuông, trong đó biên độ của điện áp đầu ra không đổi trong khi chỉ có thể điều khiển tần số của chúng

Trang 28

Hình 2.12: Cấu trúc bộ nghịch lưu nguồn áp [12]

Hình 2.13: Cực điện áp của biến tần ba pha [12]

Điện áp dây khác nhau giữa hai cặp điện áp (vab=van-vbn) được thể hiện như hình 16 Dạng sóng gần như vuông với khoảng dẫn là 1200

Trang 29

Điện áp pha cũng có thể được lấy trực tiếp từ trạng thái của tất cả sáu công tắc của biến tần như sau Đầu tiên, hãy xem xét phần đầu tiên trong hình 15, trong đó ba công tắc của Q5, Q6 và Q1 được bật Trong phần này, hệ thống có thể được mô tả như là mạch trong hình 17A Trong trường hợp này, chúng ta có thể dễ dàng thấy rằng các điện áp pha được đưa ra là

Trang 30

Tương tự, ta có thể thể hiện tất cả các trạng thái qua hình 18:

Hình 2.16: Điện áp pha và dòng điện ias [12]

Vì có sáu bước trong một chu kỳ của dạng sóng điện áp pha, cho nên loại biến tần này thường được gọi là biến tần sáu bước Khi các điện áp dạng sóng vuông này được áp dụng cho các tải cảm ứng như động cơ, dòng điện tải không phải là dạng sóng vuông, bởi vì sóng hài của điện áp được lọc bởi thành phần cảm ứng của tải

Bảng 3 tóm tắt điện áp cực và điện áp pha (điện áp tải) trong biến tần ba pha theo trạng thái của các công tắc Ở đây, trạng thái chuyển đổi được định nghĩa là “1” khi trạng thái bật và là “0” khi ở trạng thái tắt Đối với sáu công tắc của biến tần ba pha, chỉ có tám kết hợp chuyển đổi có thể, tức là, tám trạng thái chuyển đổi khác nhau

Như đã đề cập trước đó, điện áp đầu ra của biến tần ba pha có hình dạng của sóng vuông không phải là sóng hình sin thuần túy, vì vậy chúng bao gồm nhiều sóng hài Bây giờ chúng tôi sẽ đánh giá các thành phần cơ bản và hài hòa có trong các điện áp đầu ra

Bảng 3: Các trạng thái đóng cắt của các khóa bán dẫn và điện áp

Trang 31

0 1 1 12Vdc

Trang 32

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN VECTOR KHÔNG GIAN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

3.1 Lý thuyết điều khiển vector không gian - FOC:

3.1.1 Lịch sử phát triển Điều khiển vector không gian - FOC

Kỹ sư Darmstadt's K Hasse và Siemens' F Blaschke tiên phong trọng việc điều chế vector không gian cho đông cơ xoay chiều bắt đầu vào năm 1968 và đầu những năm 1970, Hasse nghiên cứu về điều chế vector không gian trực tiếp, Còn Blaschke nghiên cứu về điều chế vector không gian gián tiếp.Kỹ sư Braunschweig's Werner Leonhard đã phát triển thêm kỹ thuật FOC and là một công cụ mở ra cơ hội cho bộ điều khiển xoay chiều cạnh tranh dần thế bộ điều khiển một chiều

Tuy nhiên nó chưa được công bố cho đến khi thương mại hóa các bộ vi xử lý, vào đầu những năm 1980, các bộ điều khiển xoay chiều đã được sản xuất Rào cản khi sử dụng FOC cho các ứng dụng điều khiển xoay chiều bao gồm chi phí cao, phức tạp, bảo trì khó hơn so với bộ điều khiển một chiều, FOC phải dùng rất nhiều linh kiện điện tử cho bộ cảm biến, bộ khuếch đại,vv

Biến đổi Park được sử dụng rộng rãi trong phân tích và nghiên cứu động cơ đồng bộ và không đồng bộ Nội dung trong phép biến đổi Park là cực kỳ quan trọng cho phép chúng ta hiểu được FOC hoạt động như thế nào Phép biến đổi được xuất bản trên báo năm 1929 bởi tác giả Robert H Park.Bài báo của Park được xếp hạng quan trọng thứ nhì trong tất cả các bài báo liên quan đến kỹ thuật điện đã được xuất bản ở thế kỷ 20 Park có khả năng dị thường, ông có khả năng biến đổi bất kỳ phương trình vi phân tuyến tính nào liên quan đến máy móc từ một phương trình với nhiều hệ số thời gian khả biến sang phương trình nhiều hệ số thời gian bất biến

Trang 33

3.1.2 Cơ sở điều khiển vector không gian:

Hình 3.17: Quy trình chuyển đổi hệ trục abc sang d-q [2]

Sau khi mô tả tất cả các đại lượng điện ba pha (dòng điện, điện áp, từ thông v.v ) dưới dạng vector, ta biểu diễn tất cả các vector đó trên một hệ tọa độ quay (hệ toạ độ dq) có trục thực d trùng với trục vector từ thông

Ta có thể tách vector thành hai thành phần và , trong đó giữ vai trò tạo từ thông tương tự như dòng kích từ , giữ vai trò tạo mômen mM tương tự như dòng phần ứng của động cơ 1 chiều (ĐCMC) kích từ độc lập

Trong đó hai dòng và được sử dụng trực tiếp làm đại lượng điều khiển cho từ thông và mômen quay động cơ Như vậy, phương pháp điều khiển tựa theo từ thông roto chính là việc áp đặt chính xác từ hai thành phần dòng tạo mômen và tạo từ thông nhằm đem lại cơ chế truyền động dùng động cơ xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) các tính năng giống như thậm chí tốt hơn truyền động điện sử dụng ĐCMC

Trên hệ toạ độ từ thông rotor (toạ độ dq) ta thu được các quan hệ đơn giản giữa mômen quay, từ thông và các phần tử của vector dòng stator

3.2 Điều chế độ rộng xung theo phương pháp không gian vector (SVPWM – Space vector pulse width modulation):

3.2.1 Giới thiệu về phương pháp điều chế độ rộng xung PWM:

Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác là phương pháp điếu chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của

Trang 34

chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp đầu ra Xung PWM khi biến đổi thì tần số không đổi và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm

Biến tần tạo ra điện áp hình sin từ các cấp điện áp rời rạc, điều chế độ rộng xung (PWM) tạo ra dạng hình sin của điện áp và tần số thay đổi Các kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để thực hiện điều chế (PWM) cho bộ biến tần là Sinusoidal PWM (SPWM) và PWM vector không gian (SPWM) SVPWM được coi là một kỹ thuật triển khai PWM tốt hơn vì nó có lợi thế hơn SPWM về việc sử dụng tốt điện áp bus DC, giảm tần số đóng cắt

3.2.2 Ứng dụng:

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng ta thường gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp Sử dụng PWM điều khiển tốc độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ của động cơ

PWM được sử dụng nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển Đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất, các bộ công suất ứng dụng trong các phương tiện vận chuyển bằng điện, robot, biến tần,…

Hình 3.18 : Một số ứng dụng của PWM

3.3 Phương pháp Space Vector - SVPWM:

Điều chế độ rộng xung vector không gian (SVPWM) là sơ đồ điều chế được sử dụng để áp dụng một vector điện áp cho một động cơ điện ba pha (nam châm vĩnh cửu như PMSM)

Mục tiêu là sử dụng điện áp DC ổn định và bằng sáu công tắc (ví dụ: IGBT, MOSFET, transitor) mô phỏng dạng sóng hình sin ba pha trong đó tần số và biên độ có

Trang 35

SVPWM là kỹ thuật điều chế tốt hơn so với PWM, các ưu điểm của nó như sau: - Chất lượng điện áp đầu ra tốt hơn

- Cải thiện hiệu suất, giảm THD

- Rất đơn giản và triển khai phần cứng trực tiếp, dễ dàng trong bộ xử lý tín hiệu số (DSP)

- SVPWM có thể được thực thi hiệu quả trong vài micrô giây, đạt được kết quả tương tự so với các phương pháp PWM khác

3.3.1 Nguyên lý hoạt động:

Hinh 3.19: Cấu trúc đơn của bộ biến tần sử dụng phổ biến thu gọn từ Hình 14

Hình trên cho thấy các cặp khóa bán dẫn, trong đó chân ngoài cùng (W) khóa trên đóng và khóa phía dưới mở Hai chân khác (V và U) có khóa trên mở và khóa đóng lại Điều này sẽ tương ứng với một điện áp dương được áp dụng cho pha W trong khi hai pha khác là âm Các mũi tên hiện tại minh họa đường dẫn hiện tại từ liên kết DC dương đến liên kết DC âm

Từ sơ đồ đơn giản hóa, giờ đây có thể thấy rằng có ba công tắc có thể ở hai vị trí khác nhau Do đó, tổng số cấu hình chuyển đổi có thể là 23 = 8

Trang 36

Hình 3.20: 8 trạng thái đóng ngắt ứng với biên độ và hướng [12]

Các vector v0 và v7 được hiển thị tại góc tọa độ Pha U thường là cơ sở cho tất cả các góc Do vị trí cuộn dây bên trong stato được xếp cách nhau 120 ° Bởi vì mỗi cuộn dây có thể có điện áp dương và âm, nó chiếm hai góc ở khoảng cách 180 °