tóm tắt đề án thạc sĩ nghiên cứu thiết kế module điều khiển động cơ pmsm áp dụng phương pháp điều khiển tauwj hướng từ thông rotorfoc

rotor SPMSM – Surface-mounted PMSM, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửucực lồi hoặc phía trong rotor IPMSM – Interior PMSM, động cơ đồng bộ namchâm vĩnh cửu cực ẩn.1.2 Mô hình hóa và điều

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

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS ĐẶNG HOÀI BẮC

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu đề án tốt nghiệp tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỤC LỤC i

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

1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM 1

1.2 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 2

1.2.1 Cấu hình hệ thống 2

1.2.2 Phép biến đổi hệ trục tọa độ Park-Clarke 3

1.2.3 Lý thuyết phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor 5

1.2.4 Phương pháp điều chế vec-tơ không gian 7

1.2.5 Mô hình hóa động cơ PMSM trên hệ tọa độ quay 8

1.2.6 Thiết kế điều khiển 10

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ-ĐUN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 12

2.1 Cấu hình và thiết kế phần cứng 12

2.1.1 Mạch lực 12

2.1.2 Mạch điều khiển 12

2.2 Thiết kế phần mềm nhúng điều khiển trên nền tảng DSP TI TMS320F2800157 13

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM MÔ-ĐUN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 15

3.1 Thông số và kịch bản thử nghiệm 15

3.2 Kết quả, đánh giá và phân tích 15

3.2.1 Kết quả mô phỏng trên MATLAB/Simulink 16

3.2.2 Kết quả thực nghiệm 18

KẾT LUẬN 20

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM

CHÂM VĨNH CỬU

1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM

Động cơ PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motors) hay còn được gọi

là động cơ nam châm vĩnh cửu xoay là một loại động cơ đồng bộ điện xoay chiều 3pha Cấu tạo của động cơ PMSM bao gồm:

1 Rôto (rotor): Là phần quay của động cơ, được làm từ nam châm vĩnh cửu

và có thể quay tự do Dòng điện xoay chiều 3 pha được đưa vào động cơ thông qua

ba dây quấn stator ở mặt trước và mặt sau của động cơ

2 Stator: Là phần cố định của động cơ, được bao gồm từ kết cấu thép dầm

và ba dây quấn dây dẫn điện

3 Thanh rắn (shaft): là phần trục của động cơ PMSM giúp cho rôto quaychuyển động xoay Thanh rắn được làm bằng thép cứng và dày.Nguyên lý hoạt động của động cơ PMSM là sự tương tác giữa dòng điện 3 pha chạytrên quấn stator với nam châm vĩnh cửu trên rotor Khi dòng điện chạy vào quấnstator, nó tạo ra một trường từ trục đến đầu cực của quấn stator, hút nam châm trênrotor theo Nhờ sự tương tác này, động cơ PMSM xoay theo chiều đồng bộ vớidòng điện đưa vào quấn stator

Tùy thuộc vào cấu tạo cựu từ và cách quấn dây stator mà động cơ PMSM cóthể 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 cơPMSM sức điện động hình sin thường được sử dụng trong các hệ truyền động Servođiều 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 máyđiện

Trong động cơ PMSM, các cuộn dây stator được đặt cách nhau 1 góc đảmbảo 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 cửucực lồi) hoặc phía trong rotor (IPMSM – Interior PMSM, động cơ đồng bộ namchâm vĩnh cửu cực ẩn).

1.2 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

1.2.1 Cấu hình hệ thống

Hình 1 -1 trình bày cấu hình tổng quan hệ thống điều khiển động cơ đồng bộnam châm vĩnh cửu dựa trên phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor với 2 bộđiều khiển tốc độ và dòng điện Động cơ PMSM được điều khiển thông qua bộnghịch lưu 3 pha bằng phương pháp điều chế vector không gian SV-PWM (SpaceVector Pulse Width Modulation) Tốc độ thực đo thông qua encoder/resolver/cảmbiến hall phản hồi về bộ điều khiển tốc độ để tính toán ra dòng điện đặt cho bộ điềukhiển dòng điện Dòng điện 3 pha được đo và thông qua phép biến đổi Park-Clarkeước 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 đểlàm đầu vào thực hiện điều chế vector không gian và đưa ra các xung điều khiểnđóng/mở van bán dẫn của bộ nghịch lưu

Park-encoder

Speed

controller

Current controller

PMSM

0

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

phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor

1.2.2 Phép biến đổi hệ trục tọa độ Park-Clarke

Hệ trục tọa độ xoay chiều 3 pha gồm 3 trục a-b-c lệch nhau góc 120o, vì vậytín hiệu x (t) bất kỳ trong hệ tọa độ abc gồm 3 thành phành theo từng pha là

x (t )={ x a , x b , x c} Trong việc phân tích và thiết kế điều khiển hệ thống, việc làm việctrực tiếp trên hệ tọa độ 3 chiều thường rất phức tạp và không dễ dàng Để khắc phụcvấn đề này, phép chuyển hệ tọa độ Clarke được sử dụng để đưa từ tín hiệu 3 phaxoay chiều về 2 chiều

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

Hình 1-2 Chuyển hệ tọa độ

Hình 1 -2a minh họa vec-tơ x xoay chiều bất kỳ trong hệ tọa độ 3 pha abc

tổng hợp bởi 3 thành phần {x a , x b , x c} lệch nhau lần lượt góc 120o (hay 2 π3 ), khôngmất tính tổng quát, giả sử mô hình toán học của 3 thành phần được viết theo hàm

sin:

0 √32

−√321

2

12

1

2 ] [x a

x b

Phương trình ( 1 -0) 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 x α−x β là 2 tín hiệu xoaychiều lệch nhau góc 90o, T c là ma trận chuyển hệ tọa độ Từ ( 1 -0), phép chuyển đổiClarke ngược nhằm có lại tín hiệu x trong hệ tọa độ abcđược xác định bởi ( 1 -0)

−√3

2 1] [x α

x β

Tuy rằng phép biến đổi Clarke đã chuyển được từ đại lượng 3 chiều thành 2chiều, tuy nhiên vẫn là tín hiệu xoay chiều, để đơn giản nhất quá trình tính toánphân tích hệ thống và các công việc kỹ thuật khác liên quan, phép biến đổi Park rađời 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 -2c 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 ωt) Khi ta cho hệ tọa độ cố định quay theochiều của x cùng với tốc độ góc ωt, 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 matrận chuyển T p cho bởi ( 1 -0) và biến đổi Park ngược cho bởi ( 1 -0):

2

12

Ngoài ra, khi cần thiết, ta cũng có thể sử dụng phép biến đổi từ hệ tọa độ αβ sang dq

bởi ma trận quay T r (theo công thức ( 1 -0)) và ngược lại (theo công thứcError:Reference source not found)

1.2.3 Lý thuyết phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor

Ý tưởng của phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor cho động cơ xoaychiều nói chung và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng dựa trên phươngpháp 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 -3 với 2 phần chính là mạchphần kích từ (ký hiệu bằng f) và mạch phần ứng (ký hiệu bằng a) điều khiển độclập Mạch phần kích từ có nhiệm vụ điều khiển quá trình tạo từ thông bằng cách

điều chỉnh giá trị dòng điện kích từ I f đi qua cuộn dây kích từ (L f , R f) Trong suốtquá trình hoạt động của động cơ từ thông được giữ gần như không đổi, momen củađộng cơ được điều khiển thông qua điều khiển dòng điện phần ứng I a Vì vậy có thểnói, dòng điện kích từ I f điều khiển từ thông, dòng điện phần ứng I a điều khiểnmomen 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 đểđiều khiển điện áp và tần số cấp, dòng điện stator sẽ được thay đổi để điều khiểnquá trình từ hóa và tạo momen quay Lấy ý tưởng từ động cơ một chiều kích từ độclập, 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 trêntrục tọa độ quay dq Minh họa trong Hình 1 -4a, trong hệ tọa độ quay dq (quay vớitốc độ điện ωt e), dòng điện I s tách thành 2 thành phần I d dùng để điều khiển quátrình sinh từ thông và thành phần I q điều khiển quá trình sinh momen Đây lànguyên 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 I d là không cần thiết Khi đó,theo Hình 1 -4b, dòng điện I d được giữ bằng 0 nên vec-tơ I s tựa hoàn toàn theo trục

q, hay nói cách khác giá trị của I q chính bằng giá trị của I s

Hình 1-3 Cấu trúc mạch lực động cơ một chiều kích từ độc lập [6]

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

Hình 1-4 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 -1,chi tiết thiết kế các bộ điều khiển sẽ được trình bày trong phần 1.2.6

1.2.4 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 1-5 Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha và 8 trạng thái của mạch nghịch lưu

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 điềukhiển các nhánh van của bộ nghịch lưu Cấu trúc của mạch nghịch lưu 3 pha đượcminh họa trong Hình 1 -5a gồm 3 nhánh van tương ứng với 3 pha, trên mỗi nhánhvan gồm 2 van bán dẫn (MOSFET, IGPT) được điều khiển đóng/mở ngược trạngthái nhau (ví dụ, S1 dẫn  S4 không dẫn và ngược lại) Từ điện áp một chiều V dc

đầu vào sẽ nghịch ra điện áp 3 pha V abc cấp cho động cơ Do có 3 nhánh van, dựavào trạng thái dẫn/khóa của các van bán dẫn, ta có tất cả 8 trạng thái hoạt động củamạch nghịch lưu minh họa trong Hình 1 -5c

Tại mỗi thời điểm, 3 thành phần điện áp của 3 pha sẽ tổng hợp thành mộtvec-tơ điện áp V s quay với tốc độ gócωt e Xét trong hệ hệ tọa độ tĩnh, với mỗi trạngthái 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 23V DC và lệchnhau từng góc π3 tạo thành 6 sector (Hình 1 -5b) Thứ tự các vec-tơ tuân theonguyên tắc chuyển tiếp giữa các trạng thái chỉ có 1 nhánh van thay đổi trạng tháinhằm tối ưu tổn thất chuyển mạch Việc điều khiển nghịch lưu nhằm đạt được giátrị mong muốn của điện áp trên các pha, hay nói cách khác là vec-tơ V s với biên độ

và góc pha mong muốn Tại mỗi thời điểm bất kỳ, vec-tơ V s ở một vị trí nhất địnhtrong 1 sector bất kỳ trong 6 sector và được phân tích thành 2 thành phần (hìnhchiếu) trên 2 vec-tơ chuẩn (2 trong số 6 vec-tơ) là cạnh tạo thành sector Nhiệm vụcủa giải thuật SVM là xác định hình chiếu – thời gian thực hiện các vec-tơ điện ápchuẩn tương ứng trong 1 chu kỳ điều chế, từ đó tính toán độ rộng xung điều khiểncho từng nhánh van

1.2.5 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 hóađộng cơ PMSM trên hệ tọa độ quay dq

Xét trong hệ tọa độ quay, với việc tách dòng điện thành 2 thành phần mộtchiều điều khiển từ thông và momen độc lập, phương trình cân bằng điện áp statortrên hệ tọa độ quay được biểu diễn bởi phương trình Error: Reference source notfound

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

- L d , R d , L q , R q: lần lượt là điện cảm và điện trở của cuộn dây stator quy đổisang 2 trục của hệ tọa độ quay

- e emf: sức phản điện động của động cơ phụ thuộc vào tốc độ điện ωt e và từthông của nam châm Φ f

- e dq , e qd: thành phần xen kênh tác động chéo giữa 2 kênh d−q có giá trị phụthuộc vào ωt e, điện cảm và dòng điện của 2 kênh

Giá trị của e emf , e dq , e qd được tính toán trong Error: Reference source not found

{e dq=ωt e L d i q

e qd=ωt e L q i d

e emf=ωt e Φ f

(1-0)

Động cơ điện nói chung có tác dụng chuyển đổi từ công suất điện sang cônsuất cơ (sinh momen) làm quay trục động cơ Trong động cơ PMSM, momen đượcsinh ra bởi tương tác điện từ giữa từ trường của nam châm và dòng điện Xét trên hệtrục tọa độ quay, momen điện từ T e được xác định bởi phương trình Error:Reference source not found

T e=3

Trong đó p là số cặp cực của động cơ Chú ý là thành phần momen phản ứng phầnứng sinh ra do chênh lệch giá trị L d , L q 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 (T load) và làm quay trụcđộng cơ, nguyên lý tuân theo định luật II Newton cho chuyển động quay, thể hiệnbởi Error: Reference source not found

T e−T load=J d Ω m

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

độ điện thông qua số cặp cực

1.2.6 Thiết kế điều khiển

Trong công việc này, nhằm đảm bảo sự ổn định, bền vững với nhiễu, và điềukhiển chính xác tốc độ động cơ, tác giả sử dụng cấu trúc điều khiển phản hồi vòngkín (Hình 1 -6) sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ tích phân PI cho cả 2 mạch vòng tốc độ

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

- ωt n 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 triệttiêu ảnh hưởng của thành phần xen kênh nhằm đạt được hiệu năng tốt nhất

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ-ĐUN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

- Khối đo dòng điện DC

- Khối đo điện áp DC

- Khối phản hồi tín hiệu động cơ sensor và sensorless

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

Cuối chu kỳ xung?

Khởi tạo giá trị

Đọc tốc độ động cơ, góc, dòng điện, điện áp

Xác định động rộng xung điều khiển từng pha

Cập nhật giá trị độ rộng xung cho chu kỳ xung mới

Kích hoạt bộ điều khiển?

thoát

Đ S

Đ

S

Đ S

Hình 2-8 Lưu đồ chương trình điều khiển động cơ

Tiến trình chương trình diễn ra tuần tự như sau:

- Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển, chương trình cấu hình các mô-đun cần

sử dụng (ADC, GPIO, ngắt, eCAP, ePWM), khởi tạo giá trị các tham số của

bộ điều khiển và giá trị ban đầu cho các đại lượng cần đo cũng như độ rộngcác xung điều khiển Để đảm bảo an toàn cho hệ thống, quá trình khởi tạo sẽđảm bảo độ rộng các xung điều khiển đều bằng 0

- Sau đó, chương trình sẽ xác định xem đã kết thúc 1 chu kỳ xung điều khiểnhay chưa, nếu kết thúc rồi sẽ kích hoạt quá trình chuyển đổi ADC, khi quá

trình chuyển đổi hoàn tất sẽ kích hoạt chương trình ngắt thực thi bộ điềukhiển Mục đích của việc này nhằm đảm bảo 1 chu kỳ xung được thực hiệntrọn vẹn cũng như quá trình chuyển đổi ADC không bị gián đoạn.

- Khi chương trình ngắt được kích hoạt, chương trình kiểm tra xem có đượcthực thi bộ điều khiển hay không Tín hiệu này sẽ do người dùng đặt bênngoài hoặc tự động được kích hoạt khi hệ thống không có lỗi Nếu khôngđược phép thực thi bộ điều khiển, chương trình ngắt sẽ kết thúc và trở lạichương trình chính Ngược lại, nếu bộ điều khiển được phép thực thi,chương trình sẽ bắt đầu quá trình đọc và tính toán các giá trị về tốc độ động

cơ, ước lượng góc điện, các giá trị về dòng điện pha và điện áp nguồn DC.Sau đó thực thi bộ điều khiển để có được giá trị mới cho độ rộng các xungđiều khiển và kết thúc chương trình ngắt Giá trị mới của độ rộng xung sẽđược lưu lại vào thanh ghi của mô-đun ePWM nhằm mục đích cập nhật lại

độ rộng xung ở chu kỳ xung tiếp theo

Toàn bộ thời gian tính từ lúc kích hoạt quá trình chuyển đổi ADC đến khihoàn thành 1 vòng chương trình điều khiển được đảm bảo thực hiện xong trong 1chu kỳ xung điều khiển