nghiên cứu thiết kế module điều khiển động cơ pmsm áp dụng phương pháp điều khiển tauwj hướng từ thông rotorfoc

47 Trang 8 Từ viết tắt Từ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor Động cơ đồ

-

Bùi Văn Hùng

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PMSM ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰA HƯỚNG

TỪ THÔNG ROTOR (FOC)

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong đề án tốt nghiệp là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả đề án tốt nghiệp ký và ghi rõ họ tên

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 3

1.1 Tổng quan chung về các loại động cơ điện 3

1.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM 5

1.3 Mô hình hóa và điều khiển động cơ 3 pha đồng bộ nam châm vĩnh cửu áp dụng phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor 6

1.3.1 Cấu hình hệ thống 6

1.3.2 Phép biến đổi hệ trục tọa độ Park-Clarke 7

1.3.3 Lý thuyết phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor 10

1.3.4 Phương pháp điều chế vec-tơ không gian 12

1.3.5 Mô hình hóa động cơ PMSM trên hệ tọa độ quay 15

1.3.6 Thiết kế điều khiển 16

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ-ĐUN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 20

2.1 Cấu hình và thiết kế phần cứng 20

2.1.1 Mạch lực 20

2.1.2 Mạch điều khiển 21

2.2 Thiết kế phần mềm nhúng điều khiển trên nền tảng DSP TI TMS320F2800157 29

2.2.1 Thông tin chung về DSP TI TMS320F2800157 30

2.2.2 Triển khai chương trình điều khiển 37

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM MÔ-ĐUN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 40

3.1 Sản phẩm, thông số và kịch bản thử nghiệm 40

3.2 Kết quả, đánh giá và phân tích 41

3.2.1 Kết quả mô phỏng trên MATLAB/Simulink 41

3.2.2 Kết quả thực nghiệm 46

KẾT LUẬN 49

Hình 1-1 Phân loại các loại động cơ điện [1], [2] 3

Hình 1-2 Cấu tạo động cơ SPMSM (a) và IPMSM (b) [4] 5

Hình 1-3 Cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dựa trên phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor [6] 7

Hình 1-4 Chuyển hệ tọa độ [6] 8

Hình 1-5 Cấu trúc mạch lực động cơ một chiều kích từ độc lập [6] 11

Hình 1-6 Nguyên lý FOC điều khiển động cơ xoay chiều 11

Hình 1-7 Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha và 8 trạng thái của mạch nghịch lưu [7] 12

Hình 1-8 Thuật toán xác định sector – phương pháp SVM [8] 14

Hình 1-9 Cấu trúc điều khiển phản hồi vòng kín [6] 16

Hình 1-10 Minh họa gián đoạn forward Euler khâu tích phân 18

Hình 2-1 Sơ đồ khối chức năng 20

Hình 2-2 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu 21

Hình 2-3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 22

Hình 2-4 Sơ đồ nguyên lý khối gate drive 23

Hình 2-5 Sơ đồ nguyên lý khối đo dòng điện 24

Hình 2-6 Sơ đồ nguyên lý khối đo điện áp DC bus 25

Hình 2-7 Sơ đồ nguyên lý khối đọc cảm biến tốc độ HALL 26

Hình 2-8 Khối đọc Back EMF 27

Hình 2-9 Sơ đồ nguyên lý khối MCU 28

Hình 2-10 Sơ đồ nguyên lý khối EPPROM 29

Hình 2-11 Sơ đồ nguyên lý khối giap tiếp RS422/UART 29

Hình 2-12 Sơ đồ nguyên lý khối đo nhiệt độ 29

Hình 2-13 Logic 1 chân GPIO [9], [10] 31

Hình 2-14 Các mô-đun con của ePWM [9], [10] 32

Hình 2-15 Các chế độ đếm của mô-đun bộ đếm thời gian [9] 33

Hình 2-16 Minh họa kết quả của mô-đun tạo thời gian chết [9] 35

Hình 2-17 Minh họa hoạt động chế độ đánh dấu thời gian tuyệt đối [9] 37

Hình 2-18 Minh họa hoạt động chế độ chênh lệch thời gian [9] 37

Hình 2-19 Lưu đồ chương trình điều khiển động cơ 38

Hình 3-1 Hệ thực nghiệm điều khiển động cơ 1 – Nguồn DC, 2 – Động cơ PMSM, 3 – Môđun điều khiển 40

Hình 3-2 Đáp ứng mô phỏng tốc độ - kịch bản 1 41

Hình 3-3 Đáp ứng mô phỏng dòng điện và điện áp pha – kịch bản 1 42

Hình 3-6 Đáp ứng mô phỏng điện áp và dòng điện pha kịch bản 2 45

Hình 3-7 Đáp ứng mô phỏng dòng điện trục d-q, kịch bản 2 46

Hình 3-8 Kết quả thực nghiệm tốc độ động cơ, kịch bản 1 46

Hình 3-9 Kết quả thực nghiệm dòng điện trục d-q, kịch bản 1 47

Hình 3-10 Kết quả thực nghiệm tốc độ động cơ, kịch bản 2 47

Hình 3-11 Kết quả thực nghiệm dòng điện trục d-q, kịch bản 2 48

Bảng 1-1 Ma trận trong mỗi sector sử dụng tính hệ số điều chế các vec-tơ chuẩn [8] 14Bảng 1-2 Xác định hệ số điều chế các nhánh van 15

Từ viết tắt Từ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt

AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều

PMSM Permanent Magnet Synchronous

Motor

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thông rôto

SVM Space Vector Modulation Điều chế vectơ không gian

IM Induction Motor Động cơ không đồng bộ

SRM Switched Reluctance Motor Động

SPMSM Surface-mounted Permanent

Magnet Synchronous Motor

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi

IPMSM Interior Permanent Magnet

Synchronous Motor

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn

BLDC Brussless Direct Current Động cơ không chổi than

PI Proportional Integral Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ

IC Integrated Circuit Mạch tích hợp

MCU MicroController Unit Đơn vị điều khiển

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

ADC Analog-to-Digital Conversion Chuyển đổi tương tự sang số

EMF ElectroMagnetic Force Suất phản điện động

GPIO General Pheripheral Input/Output Ngoại vi vào/ra dùng chung

Trái tim của một hệ thống chuyển động trong các ngành công nghiệp hiện nay

là động cơ điện Trên thế giới, có nhiều hãng thiết bị lớn cung cấp các bộ điều khiển động cơ và giải pháp điều khiển chuyển động, tuy nhiên thường chỉ cho phép người dùng cài đặt các thông số cơ bản như tốc độ, vị trí mà không được can thiệp sâu vào công nghệ lõi bên trong Ngoài ra, với một số ứng dụng đặc biệt với những yêu cầu khắt khe về không gian lắp đặt, khả năng chống chịu môi trường khắc nghiệt thì các giải pháp đại trà của các hãng trên thế giới không đáp ứng được

Ở Việt Nam hiện nay, nhu cầu phát triển hệ thống điều khiển động cơ và chuyển động là rất lớn, nhất là trong những lĩnh vực đặc thù như quân sự Do đó, đề tài về hệ thống điều khiển chuyển động sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được lựa chọn mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao khi có thể nghiên cứu và phát triển bộ điều khiển động cơ và giải pháp điều khiển chuyển động ở mức cốt lõi nhất là tầng điều khiển dòng điện, ngoài ra việc thiết kế mô-đun này cũng sẽ đảm bảo được tiêu chuẩn cao về chống chịu môi trường và cho khả năng đáp ứng, thích nghi với nhiều yêu cầu, ứng dụng điều khiển khác nhau do làm chủ được công nghệ lõi

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) thường được sử dụng vì cho hiệu suất cao và hiệu quả cao các động cơ truyền động Luận văn tập trung nghiên cứu về hệ thống điều khiển chuyển động cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM); mô hình hóa đối tượng động cơ, thiết kế các bộ điều khiển theo cấu trúc tầng trên phần mềm MATLAB/Simulink; thiết kế phần cứng cho module điều khiển

và lập trình triển khai các bộ điều khiển đã thiết kế trên nền tảng bộ xử lý tín hiệu số

TI TMS320F2800157D

Cấu trúc luận văn gồm 3 chương:

 Chương 1 trình bày tổng quan về động cơ điện trong hệ truyền động điện và

xu hướng phát triển trên thế giới, sau đó đi trình bày lý thuyết về mô hình toán học động cơ, các phép biến đổi hệ tọa độ, phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor (FOC – Field Oriented Control), và lý thuyết về phương pháp điều chế vec-tơ không gian (SVM - Space Vector Modulation) ứng dụng cho điều khiển động cơ 3 pha

 Chương 2 trình bày chi tiết về mô hình hóa và thiết kế cấu trúc điều khiển

theo phương pháp tựa từ thông rotor FOC cho động cơ PMSM cũng như xác định tham số của bộ điều khiển Chương này cũng trình bày quy trình kỹ thuật

để thiết kế mô-đun công suất và phần mềm nhúng trên nền tảng DSP TI TMS320F2800157D cho việc điều khiển động cơ PMSM

 Chương 3 đưa ra các kết quả thực nghiệm nhằm kiểm chứng đánh giá hoạt

động của mô-đun điều khiển động cơ đã thiết kế, từ đó đưa ra những khuyến nghị và đề xuất cần thiết

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM

Động cơ đồng bộ

Động cơ từ trở chuyển mạch

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Động cơ từ trở đồng bộ

Sức phản điện động hình sin

Sức phản điện động hình thang (BLDC)

Cực lồi (SPM) Cực ẩn (IPM)

Hình 1-1 Phân loại các loại động cơ điện [1], [2]

Động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau, xuất hiện trong các hệ truyền động trong công nghiệp, phương tiện di chuyển, và ngay

cả trong các thiết bị gia dụng Tùy vào từng ứng dụng, các loại động cơ điện khác nhau được lựa chọn sử dụng, phân loại các động cơ điện đang có trên thị trường thể hiện trong Hình 1-1:

DC là loại động cơ điện cơ bản nhất, xuất hiện và được sử dụng sớm nhất Cấu tạo động cơ DC gồm phần cảm tạo từ trường (kích từ) bằng nam châm vĩnh

cửu hoặc cuộn dây kích từ, và phần ứng là cuộn dây, chổi thanh và cổ góp có tác dụng truyền dẫn điện từ nguồn cấp đến cực từ và động cơ Động cơ 1 chiều

dễ điều khiển và có momen khởi động lớn, tuy nhiên động cơ 1 chiều có hiệu suất và tuổi thọ thấp (hư hạo kết cấu cơ khí chổi than – cổ góp) Hiện nay động

cơ một chiều được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản, công suất thấp và ưu tiên về momen như máy khoan, xe điện du lịch trong các khu du lịch…

động cơ hoạt động với điện áp xoay chiều (1 pha, 3 pha), trong đó tốc độ của rotor chậm hơn tốc độ quay của từ trường stator So với động cơ 1 chiều, động

cơ xoay chiều nói chung hay động cơ không đồng bộ nói riêng có hiêu suất cao hơn, ít kết cấu cơ khí phức tạp giúp cho giá thành cũng như tuổi thọ, chi phí bảo trì sửa chữa thay thế thấp hơn động cơ 1 chiều Rotor của động cơ không đồng bộ có cấu tạo kết cấu rotor lồng sóc hoặc rotor dây quấn, điều này làm tăng tổn thất và giảm hiệu suất của động cơ không đồng bộ so với động

cơ đồng bộ Tuy nhiên nhờ giá thành rẻ và bảo trì đơn giản hơn nên động cơ không đồng bộ vẫn được ứng dụng rộng rãi từ các ứng dụng dân dụng như máy giặt, máy bơm nước… đến các ứng dụng đòi hỏi công suất lớn như máy phát điện, thang máy, phương tiện vận tải…

loại động cơ xoay chiều hoạt động sinh momen dựa trên sự chuyển mạch giữa các pha và sự thay đổi của từ trở trong mạch từ Đây là loại động cơ có cấu tạo đơn giản, rotor cấu tạo từ các lá thép ghép lại (không sử dụng nam châm vĩnh cửu hay cuộn dây) nên có dải nhiệt độ hoạt động rộng, hiệu suất cao Bên cạnh

đó, động cơ từ trở chuyển mạch còn có khả năng hoạt động ở vùng tốc độ cao

và vùng momen không đổi rộng [3] Tuy nhiên, chất lượng đáp ứng momen của động loại động cơ này còn hạn chế - đập mạch momen lớn, khi hoạt động phát ra tiếng ồn lớn nên phạm vi ứng dụng còn hạn chế Hiện động cơ từ trở chuyển mạch được ứng dụng trong chế tạo máy phát khởi động cho máy bay, động cơ tàu ngầm…

 Động cơ xoay chiều đồng bộ: Động cơ hoạt động với tốc độ quay rotor đồng

bộ với tốc độ quay của từ trường Dựa trên phân loại Hình 1-1 thấy rằng động

cơ đồng bộ có 2 nhánh chính là động cơ từ trở đồng bộ và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Động cơ từ trở đồng bộ hoạt động dựa trên sự không bằng nhau của từ trở mạch từ, nhược điểm về đáp ứng momen tương tự như động

cơ từ trở chuyển mạch nên ít được sử dụng hiện nay Trái lại, động cơ đồng

bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor – PMSM) được sử dụng phổ biến hơn cả hiện nay Động cơ PMSM kích từ bằng nam châm vĩnh cửu ở rotor thay vì kích từ bằng cuộn dây, vì vậy giảm được tổn thất, tăng hiệu suất, và dễ dàng điều khiển hơn với độ chính xác cao Động cơ PMSM hiện được ứng dụng chủ yếu trong các hệ truyền động yêu cầu điều khiển chính xác vị trí trong công nghiệp, dân sự và quân sự; các ứng dụng di chuyển phổ biến như xe máy điện (động cơ BLDC), ô tô điện (phổ biến là động cơ 3 pha xoay chiều đồng bộ cực ẩn)…

1.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM

a) Động cơ SPMSM b) Động cơ IPMSM

Hình 1-2 Cấu tạo động cơ SPMSM (a) và IPMSM (b) [4]

Như đã trình bày ở trên, động cơ PMSM được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu thay vì cuộn dây cho nhiều ưu điểm vượt trội hơn động cơ một chiều hay động

cơ không đồng bộ, được sử dụng cho các ứng dụng ở mọi giải công suất từ nhỏ đến lớn Tùy thuộc vào cấu tạo cựu từ và cách quấn dây stator mà động cơ PMSM có thể

có sức điện động hình sin hoặc sức điện động hình thang (động cơ BLDC – Brushless Direct Current motor, động cơ một chiều không chổi than) Động cơ PMSM sức điện động hình sin thường được sử dụng trong các hệ truyền động Servo điều khiển chính xác vị trí hoặc các ứng dụng công suất rất lớn (như ô tô điện), trong khi đó động cơ BLDC hay được dùng trong các thiết bị gia dụng hoặc xe máy điện

Trong động cơ PMSM, các cuộn dây stator được đặt cách nhau 1 góc đảm bảo

3 điện áp pha lệch nhau 120o điện, cực từ nam châm vĩnh cửu phân bố ở bề mặt rotor (SPMSM – Surface-mounted PMSM, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi) hoặc phía trong rotor (IPMSM – Interior PMSM, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn), cấu tạo từng loại động cơ minh họa trong Hình 1-2

 Với động cơ SPMSM (Hình 1-2a), các cực từ phân bố đều ở mặt ngoài rotor

thực hiện bằng cách dán nam châm lên bề mặt rotor, vì vậy để đảm bảo độ bền

về mặt cơ học, động cơ SPMSM được dùng trong các ứng dụng có giải tốc độ hoạt động không cao Ngoài ra, với cấu trúc cực từ phân bố đều trên bề mặt cho giá trị từ trở giống nhau ở trục d và trục q nên động cơ SPMSM có giá trị điện cảm trục d (𝐿𝑑) và q (𝐿𝑞) là tương đương [5]

 Với động cơ IPMSM (Hình 1-2b), cực từ được cài chìm trong rotor của động

cơ, vì vật độ bền về mặt cơ học cao hơn SPMSM, giúp cho động cơ có thể hoạt động ở tốc độ cao Động cơ IPMSM có sự khác nhau giữa điện cảm 2 trục d-q, cụ thể 𝐿𝑑 < 𝐿𝑞 [5] nên có thể tận dụng momen phản ứng phần ứng nhằm tăng hiệu suất hoạt động của động cơ

1.3 Mô hình hóa và điều khiển động cơ 3 pha đồng bộ nam châm vĩnh cửu áp dụng phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor

1.3.1 Cấu hình hệ thống

Hình 1-3 trình bày cấu hình tổng quan hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dựa trên phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor với 2 bộ điều

khiển tốc độ và dòng điện Động cơ PMSM được điều khiển thông qua bộ nghịch lưu

3 pha bằng phương pháp điều chế vector không gian SV-PWM (Space Vector Pulse Width Modulation) Tốc độ thực đo thông qua encoder/resolver/cảm biến hall phản hồi về bộ điều khiển tốc độ để tính toán ra dòng điện đặt cho bộ điều khiển dòng điện Dòng điện 3 pha được đo và thông qua phép biến đổi Park-Clarke ước lượng ra dòng điện d-q phản hồi về bộ điều khiển dòng điện Cuối cùng, điện áp tham chiếu d-q qua phép biến đổi Park ngược sẽ thu được điện áp 2 trục 𝛼 − 𝛽 để làm đầu vào thực hiện điều chế vector không gian và đưa ra các xung điều khiển đóng/mở van bán dẫn của

Park-encoder

Speed

controller

Current controller

PMSM

0

Hình 1-3 Cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dựa trên

phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor [6]

1.3.2 Phép biến đổi hệ trục tọa độ Park-Clarke

 Phép biến đổi Clarke

Hệ trục tọa độ xoay chiều 3 pha gồm 3 trục a-b-c lệch nhau góc 120o, vì vậy tín hiệu 𝑥(𝑡) bất kì trong hệ tọa độ abc gồm 3 thành phành theo từng pha là 𝒙(𝑡) ={𝑥𝑎, 𝑥𝑏, 𝑥𝑐} Trong việc phân tích và thiết kế điều khiển hệ thống, việc làm việc trực tiếp trên hệ tọa độ 3 chiều thường rất phức tạp và không dễ dàng Để khắc phục vấn

đề này, phép chuyển hệ tọa độ Clarke được sử dụng để đưa từ tín hiệu 3 pha xoay chiều về 2 chiều

a) Hệ tọa độ abc b) Hệ tọa độ 𝛼 − 𝛽 c) Hệ tọa độ d-q

Hình 1-4 Chuyển hệ tọa độ [6]

Hình 1-4a minh họa vec-tơ 𝑥 xoay chiều bất kì trong hệ tọa độ 3 pha 𝑎𝑏𝑐 tổng hợp bởi 3 thành phần {𝑥𝑎, 𝑥𝑏, 𝑥𝑐} lệch nhau lần lượt góc 120o (hay 2𝜋

3), không mất tính tổng quát, giả sử mô hình toán học của 3 thành phần được viết theo hàm 𝑠𝑖𝑛 [6]:

3 )𝑋𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡 +2𝜋

3 )]

(1-1)

Xét trong hệ tọa độ phức với trục thực/ảo lần lượt là 𝛼 − 𝛽, gắn trục thực với trục 𝑎 của hê tọa độ 𝑎𝑏𝑐 (hệ tọa độ 𝑎𝑏𝑐 và 𝛼𝛽 được gọi là hệ tọa độ tĩnh), chiếu vec-tơ 𝒙 lên 2 hệ tọa độ 𝛼𝛽 (Hình 1-4b) ta có [6]:

𝒙 = 2

3(𝑥𝑎 + 𝑥𝑏𝑒−𝑗2𝜋3 + 𝑥𝑐𝑒𝑗2𝜋3) = 𝑥𝛼 + 𝑗𝑥𝛽 (1-2) Hay:

1 −1

12

0 √3

√321

2

12

Phương trình (1-3) chính là mô hình toán của phép chuyển hệ tọa độ Clarke từ

3 pha xoay chiều sang miền phức với 2 phần thực - ảo 𝑥𝛼 − 𝑥𝛽 là 2 tín hiệu xoay chiều lệch nhau góc 90o, 𝑇𝑐 là ma trận chuyển hệ tọa độ Từ (1-3), phép chuyển đổi

Clarke ngược nhằm có lại tín hiệu 𝒙 trong hệ tọa độ 𝑎𝑏𝑐 được xác định bởi (1-4) [6]

 Phép biến đổi Park

Tuy rằng phép biến đổi Clarke đã chuyển được từ đại lượng 3 chiều thành 2 chiều, tuy nhiên vẫn là tín hiệu xoay chiều, để đơn giản nhất quá trình tính toán phân tích hệ thống và các công việc kỹ thuật khác liên quan, phép biến đổi Park ra đời nhằm mục đích tách vec-tơ 𝒙 thành 2 thành phần một chiều để xử lý độc lập Phép biến đổi Park sẽ đưa vec-tơ 𝒙 trong miền phức 𝛼𝛽 sang hệ tọa độ 𝑑𝑞 như Hình 1-4c

Do là đại lượng xoay chiều nên vec-tơ 𝒙 luôn tồn tại 2 giá trị là biên độ 𝑋 và góc quay

𝜃 (biến thiên theo tốc độ góc 𝜔) Khi ta cho hệ tọa độ cố định quay theo chiều của 𝒙

cùng với tốc độ góc 𝜔, hình chiếu của 𝒙 trên 2 trục d và q sẽ không thay đổi Vì vậy

hệ tọa độ 𝑑𝑞 còn gọi là hệ tọa độ quay, công thức chuyển đổi với ma trận chuyển 𝑇𝑝cho bởi (1-5) và biến đổi Park ngược cho bởi (1-6) [6]:

2

12

1.3.3 Lý thuyết phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor

Ý tưởng của phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor cho động cơ xoay chiều nói chung và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng dựa trên phương pháp điều khiển của động cơ một chiều DC kích từ độc lập Cấu trúc mạch lực động

cơ một chiều kích từ độc lập minh họa trong Hình 1-5 với 2 phần chính là mạch phần kích từ (ký hiệu bằng 𝑓) và mạch phần ứng (ký hiệu bằng 𝑎) điều khiển độc lập Mạch phần kích từ có nhiệm vụ điều khiển quá trình tạo từ thông bằng cách điều chỉnh giá trị dòng điện kích từ 𝐼𝑓 đi qua cuộn dây kích từ (𝐿𝑓, 𝑅𝑓) Trong suốt quá trình hoạt động của động cơ từ thông được giữ gần như không đổi, momen của động cơ được điều khiển thông qua điều khiển dòng điện phần ứng 𝐼𝑎 Vì vậy có thể nói, dòng điện kích từ 𝐼𝑓 điều khiển từ thông, dòng điện phần ứng 𝐼𝑎 điều khiển momen động cơ Phương pháp điều khiển tự từ thông rotor dựa trên ý tưởng này

Do điện áp nguồn kết nối với stator thông qua trung gian là biến tần 3 pha để điều khiển điện áp và tần số cấp, dòng điện stator sẽ được thay đổi để điều khiển quá trình từ hóa và tạo momen quay Lấy ý tưởng từ động cơ một chiều kích từ độc lập, thay vì điều khiển trực tiếp dòng điện trên hệ tọa độ 3 chiều 𝑎𝑏𝑐 phức tạp, phương pháp FOC “chuyển đổi” dòng điện stator thành 2 thành phần một chiều trên trục tọa

độ quay 𝑑𝑞 Minh họa trong Hình 1-6a, trong hệ tọa độ quay 𝑑𝑞 (quay với tốc độ điện 𝜔𝑒), dòng điện 𝐼𝑠 tách thành 2 thành phần 𝐼𝑑 dùng để điều khiển quá trình sinh

từ thông và thành phần 𝐼𝑞 điều khiển quá trình sinh momen Đây là nguyên lý chung của phương pháp FOC cho động cơ xoay chiều Đặc biệt với động cơ PMSM được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, từ thông (ổn định) được sinh ra từ nam châm trong động cơ, vì vậy điều khiển dòng 𝐼𝑑 là không cần thiết Khi đó, theo Hình 1-6b, dòng điện 𝐼𝑑 được giữ bằng 0 nên vec-tơ 𝐼𝑠 tựa hoàn toàn theo trục q, hay nói cách khác giá trị của 𝐼𝑞 chính bằng giá trị của 𝐼𝑠

Hình 1-5 Cấu trúc mạch lực động cơ một chiều kích từ độc lập [6]

a) nguyên lý chung b) trường hợp động cơ PMSM

Hình 1-6 Nguyên lý FOC điều khiển động cơ xoay chiều

Cấu trúc điều khiển dựa trên phương pháp FOC đã được phân tích trong Hình 1-3, chi tiết thiết kế các bộ điều khiển sẽ được trình bày trong phần 1.3.6

1.3.4 Phương pháp điều chế vec-tơ không gian

a) Cấu trúc mạch nghịch lưu b) Sơ đồ 6 sector

c) Các trạng thái của đóng/cắt của 3 nhánh van

Hình 1-7 Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha và 8 trạng thái của mạch nghịch lưu [7]

Động cơ PMSM được điều khiển bằng việc thay đổi điện áp 3 pha (biên độ và tần số) đặt vào stator thông qua bộ nghịch lưu 3 pha, luận văn tác giả sử dụng phương pháp điều chế vec-tơ không gian SVM để tính toán độ rộng xung để điều khiển cách nhánh van của bộ nghịch lưu Cấu trúc của mạch nghịch lưu 3 pha được minh họa trong Hình 1-7a gồm 3 nhánh van tương ứng với 3 pha, trên mỗi nhánh van gồm 2 van bán dẫn (MOSFET, IGBT) được điều khiển đóng/mở ngược trạng thái nhau (ví

dụ, S1 dẫn  S4 không dẫn và ngược lại) Từ điện áp một chiều 𝑉𝑑𝑐 đầu vào sẽ

nghịch ra điện áp 3 pha 𝑉𝑎𝑏𝑐 cấp cho động cơ Do có 3 nhánh van, dựa vào trạng thái dẫn/khóa của các van bán dẫn, ta có tất cả 8 trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu minh họa trong Hình 1-7c

Tại mỗi thời điểm, 3 thành phần điện áp của 3 pha sẽ tổng hợp thành một

vec-tơ điện áp 𝑉𝑠 quay với tốc độ góc 𝜔𝑒 Xét trong hệ hệ tọa độ tĩnh, với mỗi trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu sẽ tương ứng với một vec-tơ điện áp chuẩn, trong đó

có 2 vec-tơ 0 (V0 và V7) và 6 vec-tơ (V1 đến V6) có biên độ 2

3𝑉𝐷𝐶 và lệch nhau từng góc 𝜋

3 tạo thành 6 sector (Hình 1-7b) Thứ tự các vec-tơ tuân theo nguyên tắc chuyển tiếp giữa các trạng thái chỉ có 1 nhánh van thay đổi trạng thái nhắm tối ưu tổn thất chuyển mạch Việc điều khiển nghịch lưu nhằm đạt được giá trị mong muốn của điện

áp trên các pha, hay nói cách khác là vec-tơ 𝑉𝑠 với biên độ và góc pha mong muốn Tại mỗi thời điểm bất kỳ, vec-tơ 𝑉𝑠 ở một vị trí nhất định trong 1 sector bất kỳ trong

6 sector và được phân tích thành 2 thành phần (hình chiếu) trên 2 vec-tơ chuẩn (2 trong số 6 vec-tơ) là cạnh tạo thành sector Nhiệm vụ của giải thuật SVM là xác định hình chiếu – thời gian thực hiện các vec-tơ điện áp chuẩn tương ứng trong 1 chu kỳ điều chế, từ đó tính toán độ rộng xung điều khiển cho từng nhánh van Trình tự các bước thực hiện giải thuật như sau:

 Xác định sector chứa vec-tơ điện áp 𝑉𝑠: việc xác định sector dựa vào giá trị của 2 thành phần trong hệ tọa độ phức 𝑉𝛼 và 𝑉𝛽 Do phạm vi biến đổi của góc quay khác nhau ở các sector nên sẽ cho dải giá trị và sự tương quan giữa 𝑉𝛼 và

𝑉𝛽 là khác nhau Việc xác định sector dựa trên quan hệ tương quan giữa 2 giá trịnh này được thể hiện ở lưu đồ Hình 1-8

 Xác định hệ số điều chế các vec-tơ chuẩn: Ở mỗi sector bất kì, 𝑉𝑠 sẽ được điều chế bằng cách thực hiện thứ tự các vec-tơ 𝑉0, 𝑉7, và 2 vec-tơ chuẩn Đặt 𝑑0, 𝑑1

và 𝑑2 lần lượt là hệ số dùng để điều chế các vec-tơ 𝑉0(𝑉7), vec-tơ chuẩn bên phải, và vec-tơ chuẩn bên trái của sec-tơ và được xác định bởi phương trình (2-3) Trong đó ma trận 𝐴𝑛𝑚 xác định cho từng sector xác định trong Bảng 1-1

𝑑0 =1

2(1 − 𝑑1− 𝑑2) [𝑑1

𝑑2] = 𝐴𝑛𝑚[𝑉𝑉𝛼

𝛽]

(1-9)

Hình 1-8 Thuật toán xác định sector – phương pháp SVM [8]

Bảng 1-1 Ma trận trong mỗi sector sử dụng tính hệ số điều chế các vec-tơ chuẩn [8]

√32]

Sector 5

𝐴𝑛𝑚 = 1

𝑉𝐷𝐶[

−3

√323

√32

0 −√3

]

 Xác định độ rộng xung điều khiển từng nhánh van trong 1 chu kỳ điều khiển: Căn cứ vào trình tự chuyển mạch giữa các vec-tơ chuẩn đảm bảo ở trạng thái liền kề chỉ có 1 nhánh van thay đổi trạng thái (giả sử trong sector 1 là 𝑉0 →

𝑉1 → 𝑉2→ 𝑉7 và 𝑉7 → 𝑉2 → 𝑉1 → 𝑉0), độ rộng xung điều khiển cho từng nhánh van (𝑑𝑎, 𝑑𝑏, 𝑑𝑐) được xác định như trong Bảng 1-2

1.3.5 Mô hình hóa động cơ PMSM trên hệ tọa độ quay

Trước khi định thông số các bộ điều khiển, tác giả tiến hành mô hình hóa động

cơ PMSM trên hệ tọa độ quay 𝑑𝑞

Xét trong hệ tọa độ quay, với việc tách dòng điện thành 2 thành phần một chiều điều khiển từ thông mà momen độc lập, phương trình cân bằng điện áp stator trên hệ tọa độ quay được biểu diễn bởi phương trình (1-10) [6]

- 𝑢𝑑, 𝑢𝑞: giá trị điện áp trên 2 trục 𝑑, 𝑞 của điện áp stator

- 𝐿𝑑, 𝑅𝑑, 𝐿𝑞, 𝑅𝑞: lần lượt là điện cảm và điện trở của cuộn dây stator quy đổi sang 2 trục của hệ tọa độ quay

- 𝑒𝑒𝑚𝑓: sức phản điện động của động cơ phụ thuộc vào tốc độ điện 𝜔𝑒 và từ thông của nam châm Φ𝑓

- 𝑒𝑑𝑞, 𝑒𝑞𝑑: thành phần xen kênh tác động chéo giữa 2 kênh 𝑑 − 𝑞 có giá trị phụ thuộc vào 𝜔𝑒, điện cảm và dòng điện của 2 kênh

Giá trị của 𝑒𝑒𝑚𝑓, 𝑒𝑑𝑞, 𝑒𝑞𝑑 được tính toán trong (1-11)

 Quan hệ điện-cơ (sinh momen quay)

Động cơ điện nói chung có tác dụng chuyển đổi từ công suất điện sang côn suất cơ (sinh momen) làm quay trục động cơ Trong động cơ PMSM, momen được sinh ra bởi tương tác điện từ giữa từ trường của nam châm và dòng điện Xét trên hệ trục tọa độ quay, momen điện từ 𝑇𝑒 được xác định bởi phương trình (1-13) [6]

𝑇𝑒 =3

2𝑝(Φ𝑓+ (𝐿𝑑 − 𝐿𝑞)𝑖𝑑)𝑖𝑞 (1-12)

Trong đó 𝑝 là số cặp cực của động cơ Chú ý là thành phần momen phản ứng phần ứng sinh ra do chênh lệch giá trị 𝐿𝑑, 𝐿𝑞 chỉ tồn tại trong động cơ I-PMSM, với động

cơ S-PMSM thành phần này không tồn tại vì 2 điện cảm bằng giá trị nhau [6]

Momen động cơ sinh ra cân bằng với momen tải (𝑇𝑙𝑜𝑎𝑑) và làm quay trục động

cơ, nguyên lý tuân theo định luật II Newton cho chuyển động quay, thể hiện bởi (1-13)

𝑇𝑒 − 𝑇𝑙𝑜𝑎𝑑 = 𝐽𝑑Ω𝑚

Với 𝐽 là momen quán tính của trục, Ω𝑚 là tốc độ cơ của trục động cơ liên hệ với tốc

độ điện thông qua số cặp cực [6]

1.3.6 Thiết kế điều khiển

Trong công việc này, nhằm đảm bảo sự ổn định, bền vững với nhiễu, và điều khiển chính xác tốc độ động cơ, tác giả sử dụng cấu trúc điều khiển phản hồi vòng kín (Hình 1-9) sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ tích phân PI cho cả 2 mạch vòng tốc độ và dòng điện

 Bộ điều khiển tốc độ

Nhiệm vụ của bộ điều khiển tốc độ là tính toán ra giá trị đặt cho dòng điện sinh momen 𝑖𝑞_𝑟𝑒𝑓 cho mạch vòng dòng điện Xét dòng điện 𝑖𝑑 được điều khiển ở giá trị 0, từ phương trình (1-12) và (1-13), 𝑖𝑞_𝑟𝑒𝑓 được tính toán bởi (1-15)

- 𝜉 là hệ số tắt dần, thường chọn bằng 1 để không xuất hiện quá điều chỉnh

- 𝜔𝑛 là tần số dao động riêng của hệ

 Bộ điều khiển dòng điện

Mạch vòng dòng điện sử dụng bộ điều khiển PI có bù sức phản điện động và triệt tiêu ảnh hưởng của thành phần xen kênh nhằm đạt được hiệu năng tốt nhất

 Rời rạc bộ điều khiển

Hình 1-10 Minh họa gián đoạn forward Euler khâu tích phân

Để có thể triển khai bộ điều khiển trên các vi điều khiển thực tế, việc tiên quyết cần thực hiệc là gián đoạn hóa bộ điều khiển từ miền liên tục Để đảm bảo sự đơn giản của quá trình tính toán và xử lí nhanh, phương pháp gián đoạn hóa forward Euler được lựa chọn sử dụng cho khâu tích phân trong bộ điều khiển, minh họa phương pháp trong Hình 1-10 Do tích phân bản chất là tính diện tích của miền giới hạn bởi tín hiệu theo thời gian, vì vậy tích phân sẽ được gián đoạn hóa bằng tổng diện tích

của các hình chữ nhật có độ dài 2 cạnh là thời gian trích mẫu và độ lớn của tín hiệu tại thời gian lấy mẫu

Xét trong miền liên tục:

hệ tọa độ 3 pha sang hệ tọa độ quay đồng bộ với 2 thành phần riêng biệt điều khiển

từ thông và điều khiển momen Dựa trên mô hình đối tượng xây dựng trên hệ tọa độ quay, các bộ điều khiển tốc độ và dòng điện đã được thiết kế Cuối cùng, mạch nghịch lưu được điều khiển bởi hệ thống xung PWM được điều chế bằng phương pháp SVM

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ-ĐUN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

2.1 Cấu hình và thiết kế phần cứng

Đông cơ PMSM

Nghịch lưu Nguồn DC

Khối đo dòng điện Gate drive

Khối đo điện

áp DC

MCU

Khối đọc cảm biến hall Nguồn DC

Hình 2-1 Sơ đồ khối chức năng

Phần cứng của mô-đun điều khiển được thiết kế gồm mạch lực và mạch điều khiển với sơ đồ khối chức năng thể hiện trong Hình 2-1

- IDS (dòng điện DS tối đa): 309 A

- VGS threshold (điện áp ngưỡng cổng máng): 3 V

- Turn-on delay time (thời gian trễ khi có tín hiệu bật MOSFET): 31 ns

- Turn-off delay time (thời gian trễ khi có tín hiệu tắt MOSFET): 69 ns

- Với các thông số đầu vào, chọn MOSFET IAUTN12S5N018T đáp ứng các yêu cầu thiết kế

- Hai tụ điện DC BUS C77, C88 trong hình trên đóng vai trò lọc ripple điện áp

DC đầu vào Lựa chọn theo kinh nghiệm thiết kế, chọn 2 tụ điện DC bus có giá trị 100 𝜇𝐹

- Các tụ điện C4, C5, C6 là các tụ điện DC Decoupling 3,3 𝜇𝐹 có vai trò lọc các điện áp dâng lên trên các nhánh van khi xuất hiện sự thay đổi điện áp trong thời gian ngắn khi qua trình MOSFET chuyển trạng thái

- Mạch snnuber gồm 1 điện trở 100  và 1 tụ điện 10 nF được mắc giữa cực D

và S của MOSFET có vai trò hạn chế dòng điện thay đổi trong thời gian ngắn khi bật MOSFET giúp bảo vệ MOSFET, giảm tổn hao đóng cắt

Hình 2-2 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu