Luận án tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nhận dạng và điều khiển nâng cao máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Dé đáp ứng các yêu cau cấp thiết trong bài toán nâng cao chất lượng điều khiển cho các hệ thống truyền động điện sử dụng PMSM, luận án đã tiến hành nghiên cứu và đề xuấtmột số các giải p

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAM QUOC KHANH

NHAN DANG VA DIEU KHIEN NANG CAO

MAY DIEN DONG BO NAM CHAM VINH CUU

LUAN AN TIEN SI

TP HO CHI MINH - NAM 2023

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAM QUOC KHANH

NHAN DANG VA DIEU KHIEN NANG CAO MAY DIEN DONG BO NAM CHAM VINH CUU

Chuyén nganh: KY THUAT DIEN

Mã số chuyên ngành: 62520202

Phản biện độc lập: PGS TS Nguyễn Thanh Phương

Phản biện độc lập: TS Võ Hoàng Duy

Phản biện: PGS TS Phan Quốc Dũng

Phản biện: TS Trần Viết Thắng

Phản biện: PGS TS Nguyễn Quốc Hưng

NGƯỜI HƯỚNG DAN:

1 GS TS HO PHAM HUY ANH

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quảnghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳmột nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếucó) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Phạm Quốc Khanh

TÓM TAT LUẬN ÁN

Cùng với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật vật liệu và yêu cầu ngày càng cao đối vớicác hệ thống truyền động điện, các máy điện hiệu suất cao cũng được chú ý nghiên cứuphát triển Trong các các máy điện hiện nay, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu(PMSM) nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà sản xuất thiết bị do chúng sở hữu

ưu điểm mật độ công suất cao, hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và chỉ phí bảo trì bảodưỡng thấp Do đó, với xu hướng sử dụng các thiết bị thông minh, hiện đại và hiệu suấtcao trong công nghiệp và dân dụng, các hệ thống truyền động điện PMSM ngày càngđược các nhà sản xuất thiết bị cuối ưu tiên sử dụng

Ngoài các ưu điểm thì động cơ PMSM cũng có một số nhược điểm như là tốc độ động

cơ bị giới hạn, cần phải có các cảm biến vị trí trục rô-to trong các phương pháp điềukhiển véc-tơ Đã có nhiều giải pháp được dé xuất trong thời gian vừa qua dé giải quyếtcác van dé này Các phương pháp điều khién tốc độ động cơ trên trên tốc độ định mứcđược đề xuất dé mở rộng dãy tốc độ làm việc cho động cơ PMSM Các phương phápđiều khiển không cảm biến vi trí rô-to được đề xuất nhăm loại bỏ thành phần cảm biếngóc rô-to Tuy nhiên, với yêu cầu ngày càng cao về chất lượng điều khiển cũng như vềyếu tố giá thành sản xuất, cần thêm nhiều nghiên cứu nhằm nâng cao hơn nữa chất lượng

vận hành và giảm giá thành sản phẩm.

Dé đáp ứng các yêu cau cấp thiết trong bài toán nâng cao chất lượng điều khiển cho các

hệ thống truyền động điện sử dụng PMSM, luận án đã tiến hành nghiên cứu và đề xuấtmột số các giải pháp pháp dé nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ động cơ PMSM đó

`

là:

° Áp dụng các thuật toán nhận dạng tối ưu thông sỐ động co PMSM Việc xác định

thông số động cơ có vai trò quan trọng trong việc tính toán xác định các thông sốcủa bộ điều khiển động cơ PMSM Các phương pháp ước lượng thông số động

cơ PMSM được đề xuất có độ chính xác cao Các thông số được ghi nhận từ cácphương pháp nhận dang nay được áp dụng trong các phần điều khiển tốc độ động

cơ PMSM được đề xuất trong luận án

e Áp dụng phương pháp điều khiển mới nhằm mở rộng dãy tốc độ hoạt động của

động cơ lên trên tốc độ định mức Qua các kết quả mô phỏng ghi nhận được cho

1

thấy phương pháp mở rộng dãy tốc độ làm việc của động cơ PMSM được đề xuất

có khả năng giảm được sự khác biệt về phương pháp điều khiến giữa hai vùngtốc độ khác nhau, giảm được sự dao động tốc độ động cơ khi vận hành ở trạng

thái xác lập.

Áp dụng bộ điều khiển Fuzzy trong phương pháp điều khiển tốc độ động cơPMSM không cảm biến dựa trên mô hình Qua các kết quả mô phỏng đạt đượccho thay phương pháp điều khiển tốc độ PMSM không cảm biến được đề xuất cókhả năng giảm thiểu hiện tượng dao động tốc độ PMSM Giảm được dao động

và nâng cao khả năng bám theo tốc độ tham chiếu giúp nâng cao hiệu quả vận

hành động cơ PMSM.

11

Along with developing materials engineering technology and increasing requirements

for electric drive systems, high-performance electric machines are also interested in

research and development Among current electrical machines, permanent magnet

synchronous motors (PMSM) receive significant attention from equipment

manufacturers because they possess the advantages of high-power density, high efficiency, compact size, and lower maintenance costs compared to other electric

motors Furthermore, with the trend of using modern, high-performance intelligent

devices in today's life, PMSM electric drive systems appear in industrial production

lines and increase in daily consumer products.

In addition to the significant advantages, the PMSM also has some disadvantages, such

as the motor speed being limited, and it is necessary to have the rotor position sensor in

the vector control methods There have been many approaches proposed in recent times

to solve these issues The motor speed control methods in the constant power area are

proposed to expand the operating speed range for the PMSM motor Sensorless Control

of the PMSM is proposed to eliminate the Rotor angle sensor component However,

with the increasing requirements of the quality of control and the production cost factors,

more research is needed to improve the quality of operation further and reduce the cost

of PMSM drive.

The thesis has researched and proposed several solutions to improve control quality of

PMSM speed control, including:

e Apply the optimal PMSM parameters identification algorithms Determining the

motor parameters is essential in determining the parameters of the PMSM motor

controller Methods of estimating the proposed PMSM parameters have high

accuracy The parameters recorded from these identification methods are applied

in the proposed PMSM speed control.

e Apply a new control method to extend the speed range above the rated speed.

The simulation results show that the proposed method of extending the working

speed range of the PMSM motor can reduce the conflict between two different

speed zones, reducing the speed fluctuations when operating in a steady state.

1V

e Apply Fuzzy controller in sensorless PMSM speed control methods The

simulation results show that the proposed sensorless PMSM speed control

method can minimize PMSM speed fluctuations, reduced ripple and improved

reference speed tracking lead to improved PMSM motor performance.

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận án “Nhận dạng và điều khiển nâng cao máy điện đồng

bộ nam châm vĩnh cửu”, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện

của Ban Giám Hiệu, Ban Chủ Nhiệm Khoa Điện - Điện Tử, Phòng Đào Tạo Sau Đại

Học, quý thầy giáo, cô giáo, cán bộ các phòng, ban chức năng của Trường Đại học BáchKhoa Thành phố Hồ Chí Minh Tôi cũng nhận được sự hỗ trợ, quan tâm và tạo điều kiệntrong công tác của lãnh đạo Ban Giám Hiệu Trường Đại học Công nghiệp Thành phố

Hồ Chí Minh, của lãnh đạo Khoa Công Nghệ Điện, của Bộ môn Cơ Sở trong quá trình

thực hiện luận án này.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS TS Hồ Phạm Huy Ánh đã tận tình hướngdẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án cũng như hoàn chỉnh luận án Tôicũng xin cảm ơn các thành viên trong nhóm nghiên cứu điều khiển điện, tự động hóaB103-08 đã luôn hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Sau cùng là gia đình đã luôn động viên khích lệ tạo điều kiện về thời gian, công sức vàkinh phí dé tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này

Tôi xin chân thành cảm ơn./.

Nghiên cứu sinh

Phạm Quốc Khanh

VI

MỤC LỤC

0909.9829.905 Ả Ô ồ.ỖÔỒồ i

TOM TAT LUẬN AN .cecccssessssssessessssssessecsessusssessecsessussussssssessussesssessessussuessessessusseeeseeses ii “y0 Ô Ố.Ố.Ố iv

LOT CAM ON ec essessesssesssesssesssessesssecssessssssecssscssessssssecssecsssssessscssessusssesssesssessecssesaseeseeess vi MỤC LUC oavecssssessesssssessessussssssessscsessssesecsessussssssessessussssssessessussisssessessesssessessesssessesseesess vii DANH MỤC CAC HINH ANH _M.u sscsssesssessssssesssesssessssssesssesssessesssecssessusssesasecsessseeesess xii DANH MỤC BANG BIEU ou sssessessessssssessessesssessessecsecsusssecsecsessuseseesessessussseesessecssseseeseess XV DANH MỤC CÁC TU VIET TẮTT 2-22 5£ ©++2+£+EE+SEE2EEEEEEEEEtEEErrrkrrkrerkree xvii CHƯƠNG 1 GIỚI THIEU ececcesscsssesssesssessssssesssesssessesssecssessusssssssecsssssecssessnessesesessses 1 V1 Dat Van 7a ẽốa TÊ 1

1.1.1 Vấn đề điện khí hóa trong giao thông, công nghiệp va dân dụng |

1.1.2 Các hạn chế và giải pháp khắc phục cho các bộ truyền động PMSM 3

1.1.2.1 Bài toán tăng tốc độ PMSM lên trên tốc độ định mức 3

1.1.2.2 Bài toán điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ PMSM 4

1.1.2.3 Bài toán ước lượng thông số động cơ PMSM 2- 252552 5 1.2 Phạm vi nghiÊn CỨU - 6 6 +13 91 931911991901 HH Tho nh nh 5 1.3) Muc ti€u nghién COU n6 6

1.4 Nội dung nghiên cứu của luận AM oo eee eee eseeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeseeaeeaeeeeaeeaees 7 15 Bố CUC TUAN AN a 8

CHƯƠNG2_ TONG QUAN ooveeececcecescssssessssessesssuceesucsesussvsansvsatsucarsussesavavsavsncavsncevens 10 2.1 Giới thiệu về động cơ PMSM uueeecsssesssssssssssssecssesssessecssecssecsscssecasecsscesecasecseeess 10 2.1.1 Cấu tạo của động cơ PMSM ©5- 22+ EEEEE21127111 2111 EExcrkee 10 2.1.2 Mô hình toán PMSM -¿-2¿-©+c22kc2EE2E271211211211271211 21.11 11 2.1.3 Giới han vung lam việc của động cơ PMSM 1 eee eeceeceeseceseeeeeeteeeneeees 13 2.1.4 Điều khiển tốc độ PMSM dựa trên phương pháp điều khiển FOC 15

2.2 Tổng quan các phương pháp mở rộng dãy tốc độ điều khiển của PMSM 16

2.2.1 Giới thiệu -2< St 2k2 2E EEE12211 2111111121111 111 xe l6

2.2.2 Phương pháp điều khiển véc-tơ dong điện -2- 2 2s secxszssceee 18 2.2.3 Phương pháp điều khiển dòng điện trực tiếp ¿5-5 sec: 18

vil

2.2.4 Phương pháp điều khiển véc-tơ từ thông - 2 + sz+ce+ce+rxcsez 19

2.2.5 Phương pháp điều khiển dựa trên tra bảng mô-men và từ thông 20

2.2.6 Hướng nghiên cứu đề xuất của luận án về mở rộng dãy tốc độ PMSM 20

2.3 Điều khiển tốc độ không cảm biến cho động cơ PMSM - 21

PSG 21

2.3.2 Phương pháp điều khiến tốc độ không cảm biến dựa trên mô hình 22

2.3.2.1 Phương pháp ước lượng sức điện động cam ứng trên sfa-tO 22

2.3.2.2 Phương pháp bộ lọc Kalman mở rộng - 5+ +s++<x++ss++s+2 22 2.3.2.3 Phương pháp bộ quan sát chế độ trượt -. -¿z-++cs++cs++ 23 2.3.2.4 Phương pháp hệ thống thích nghi tham chiếu mô hình 23

2.3.3 Phương pháp điều khiển không cảm biến không dựa trên mô hình 24

2.3.3.1 Phương pháp đáp ứng tín hiệu tần số cao -¿zcs+cxe+se+ 24 2.3.3.2 Phương pháp sử dụng bộ vòng khóa pha 5-55 ++5++s52 24 2.3.4 Phương pháp sử dụng các bộ điều khiển thông minh - 25

2.3.5 Hướng nghiên cứu về điều khiến tốc độ PMSM không cảm biến 25

2.4 Nhận dạng thông số PMSM ¿- 52-5252 SE EEEEEEEEEEE112117121 11111 1ee, 26 2.4.1 Giới thiỆU Gà Hà Hà HH nh gà 26 2.4.2 Các phương pháp nhận dang thông số động cơ kiểu offline 27

2.4.2.1 Phương pháp dựa trên miền tần số 2- 2 +++c++cx+zrxz+zxez 27 2.4.2.2 Phương pháp dựa trên miền thời gian . ¿2¿©5+cs+5cs+2 28 2.4.2.3 Phương pháp phan tử hữu hạn - 2-5 52+ 2+E+£E+zEzEsrxerxeres 28 2.4.3 Các phương pháp nhận dang online - <6 5s + + ksessesseessersree 29 2.4.3.1 Phương pháp tính toán đại SỐ -¿ 2¿©22©5++cx++zxrzrrerxeerxesrxee 29 2.4.3.2 Phương pháp sử dụng bộ quan sát - s5 5c 3S xsesserssrses 30 2.4.3.3 Phương pháp sử dung tri tuệ nhân tạO - «+ +<c+sssssrse 30 2ZAA NAM XEt nh d4 31

2.4.5 Hướng nghiên cứu về nhận dang thông số PMSM của luận án 32

CHƯƠNG 3 NHẬN DẠNG THONG SO ĐỘNG CƠ PM§M - - 34

Fs Di © 5 (0) 000002) ) a 34

3.2 Nhận dạng thông số PMSM dựa trên các thuật toán tối ưu - 35

3.2.1 Mô tả phương pháp thực hiện 5 351 seiresrrrsrrrrrrsrrsee 35

vill

3.2.2 Hàm mục tiêu trong nhận dạng thông số động cơ -: 37

3.2.3 Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ PMSM 39

3.3 Ước Lượng Thông Số PMSM dựa trên thuật toán tiến hóa Vi sai 40

3.3.1 Thuật toán tiễn hóa vi sai trong nhận dang thông số PMSM 40

3.3.2 Kết quả nhận dạng thông số PMSM dựa trên thuật toán DE 44

3.3.3 So sánh kết quả ước lượng thông số động cơ PMSM dựa trên thuật toán tiên hóa vi sai với thuật toán tôi ưu hóa bây đản .- c7 S-cssxs+ssserssereres 45 3.4 Nhận dạng thông số PMSM sử dụng thuật toán tiễn hoá vi sai nâng cao 48

3.4.1 Thuật toán tiễn hóa vi sai cải tiẾn -cccccccvcrtrrtrrrrrrrrrrrrrrrrree 48 3.4.2 Kết quả nhận dạng thông số PMSM dựa trên thuật toán DE cải tiến 49

3.5 Nhận dang thông số PMSM dựa trên thuật toán tối ưu Jaya cải tiến 53

3.5.1 Thuật toán tối ưu Jaya eccecceccsccsscsscsscssessessessesessessessessessessessessestssesseseessesees 53 3.5.2 Thuật toán tối ưu Jaya cải tiến -2-©22 5s tk 2 EEEEEEEEEEErrrkerree 55 3.5.3 Kết quả nhận dang thông số PMSM dựa trên thuật toán Jaya cải tiến 56

3.6 Kết luận cv tt tt ng ng re 60 CHUONG 4 MỞ RỘNG DAY TÓC ĐỘ HOẠT DONG CUA PMSM 62

"tr on 62

4.1.1 Các vùng làm việc của động cơ PMSM phân loại theo tốc độ r6-to 62

4.1.2 Giới thiệu về mở rộng dãy tốc độ PMSM -2- 2 2+ccxecxerxereres 63 42 Phương pháp điều khiển tốc độ PMSM dựa trên công suất tác dụng và công suât phan kháng bộ nghịch Ïưu - - c5 2221331351193 E51 1351111 11 11x ng grrey 64 4.2.1 Nguyên tac truyền công suất từ bộ nghịch lưu vào động cơ điện 64

4.2.2 Nguyên tắc điều khiến tốc độ PMSM dựa trên điều khiển công suất PQ l0ïL809801340119800ã)0 68

4.3 Mô hình hóa hệ thống truyền động PMSM - 2-2 c2cz+cz+rxerxersee 69 4.3.1 Sơ đồ khối của mô hình hệ thống truyền động PMSM 69 4.3.2 Khối động cơ PMSM -2 ©s+2E2 2 12E1271121121171 1121.2111 71 4.3.3 Khối điều khiển cc+ctctrtrttrtrrttrrrrtrtrirrrrirrirreirrie 74

4.3.3.1 Khối tính toán -c:-+cc+ttsEErtrttErtrtttrrrrtrrrrrrrrirrrrrireriee 75 4.3.3.2 Các bộ điều khiển PH -©2++stEktrrttktrrttrirrrtrrirrrrrirerie 76 4.3.3.3 Các khối chuyên đổi -:- + ©5+222+EEEEEEE2E121121 71.21221121 76 4.3.3.4 Khối tạo xung cho bộ nghịch Ìưu - - s5 + +++x+sxssxeexseerees 76

1X

4.3.4 Khối nghịch lưu - 2 ©5£+22++E+EE+EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE2E.2EEeEEerreee 71

4.4 Thiết lập mô phỏng trong đánh giá hiệu quả điều khiển tốc độ PMSM 78

4.4.1 Các phương pháp điều khiển tốc độ PMSM được dùng dé so sánh hiệu quả điều khiển tốc độ trong mở rộng tốc độ điều khiên -¿ 5¿ 78 4.4.2 _ Thiết lập thông số mô hình hóa mô phỏng 2-2 2 2s x+£s+s+sz 78 4.4.3 Tiêu chí đánh giá hiệu quả điều khiển tốc độ PMSM 81

4.5 Mô phỏng điều khiến tốc độ PMSM bang trên phương pháp điều khién công suất tác dụng và công suất phan kháng từ bộ nghịch lưu -2- 2-2 s25: 82 4.5.1 Trường hợp PMSM vận hành trong vùng dưới tốc độ định mức 82

4.5.2 Trường hợp PMSM vận hành trong vùng từ thông suy yếu 88

4.5.3 Trường hop PMSM vận hành trong toàn dãy tốc độ - 93

ch 97

4.6 Cải tiến chất lượng điều khién tốc độ PMSM sử dụng phương pháp Fuzzy PI cho phương pháp điều khiển công suất tác dụng và phản kháng - 98

4.6.1 Cải tiến chất lượng điều khiển tốc độ PMSM sử dung phương pháp Fuzzy PI cho phương pháp điều khiển công suất tác dụng và phản kháng 98

4.6.2 Kết quả cải tiến chất lượng điều khiến tốc độ PMSM sử dung phương pháp điều khiển công suất tac dung và phan kháng cải tiến .- 100

4.7 KẾt luận cv nh nhưng he ưeg 106 CHUONG5 DIEU KHIEN DONG CƠ PMSM KHÔNG CẢM BIÉN 109

os © (07 0 ah 109

5.2 Phương pháp điều khiển Fuzzy-MRAS ccccscsscsssesssesssesssecsecssecssecssecseeeseeens 109

5.2.1 Xây dựng mô hình MRAAS - SH ng ket 109

5.2.2 _ Điều khiển tốc độ PMSM dựa trên Fuzzy-MRAS 25s: 113

5.2.3 Mô hình hóa hệ thống điều khiến tốc độ PMSM không cảm biến sử dụng

thuật toán Fuzzy MRAÁS HH TH HH HH kh 115

5.2.3.1 Nguyên lý điều khiến tốc độ PMSM không cảm biến sử dụng phương

00198020101 Ả Ô 115

5.2.3.2 Xây dụng mô hình Simulink cho hệ thống truyền động PMSM không cảm biến sử dụng phương pháp Fuzzy MRAS 2-52 5cccczzzzxees 115

5.2.3.3 Thiết lập mô phỏng cho hệ thống truyền động PMSM không cảm biến

sử dụng phương pháp Fuzzy MRAS - cà LH HH ng re 117

5.3 Kết quả thực hiện -¿- + 5E 2E+E2E19E1E2121121122171211211 111121 crxee 118

5.3.1 Trường hop PMSM vận hành trong vùng mô-men hang số 1195.3.2 Trường hợp PMSM vận hành trong vùng từ thông suy yếu 1245.3.3 Trường hợp PMSM vận hành trong toàn dãy tốc độ - 1305.4 Kết luận c.t nh re 135

CHUONG 6 DIEU KHIEN TOC ĐỘ PMSM DUNG THUẬT TOÁN TÍNH

TOAN MEM 137

6.1 Giới HHiSU eee ceccccceccsesssssecssecssessesssesssecsussssessessuessusesecssecsuessssssesssecsuseseeseeses 137

6.2 Diéu khién tốc độ động co PMSM dựa trên bộ điều khiển Fuzzy PI 138

6.3 Mô hình thực nghiệm điều khiên tốc độ PMSM -¿-75:©55¿ 141

6.3.1 Nguyên lý điều khiển tốc độ PMSM dựa trên bộ điều khién 86 141

6.3.2 Mô hình vật lý bộ thi nghiệm điều khién tốc độ PMSM 142

6.3.3 Chương trình điều khién tốc độ PMSM trên vi điều khiển

TMS320F28379D - 2-52 S2 2k 221 211271127112112112711211111 11121121111 11c 145

6.4 Thuật toán Jaya cải tiễn trong tối ưu thông số bộ Fuzzy PI 147

6.4.1 Thuật toán Jaya cải tiễn trong tối ưu thông số bộ Fuzzy PI 1476.4.2 Kết quả tối ưu giá tri thông số bộ điều khiển Fuzzy PI 148

6.5 Kết quả thực nghiệm điều khiển tốc độ PMSM dựa trên bộ điều khién Fuzzy

PI tôi ưu được dé Xuât - - - - ¿c2 1111122311 1111 1199311 KĐT 11kg 1 key 149

6.6 KẾt luận 2-©5c 2222222 22 221221271211211211111121111 111cc 154CHƯƠNG7 KẾT LUẬN 2-©222E£2EEC2EEEEEEEEEEEEEEEEErrkkerkrerkerred 156

7.1 KẾt luận -.- 5c 2+2 t2 2E E21071211211211 111121111111 ce 156

7.1.1 Kết luận về van đề nhận dạng thông động co PMSM 1567.1.2 Kết luận về mở rộng dãy tốc độ hoạt động của PMSM 1577.1.3 Kết luận về van đề điều khiển không cảm biến động cơ PMSM 159

7.1.4 Kết luận về thực nghiệm điều khiến tốc độ động cơ PMSM dựa trên thuật

todn 119:13010011):) 0021777 160

7.2 Định hướng nghiên cứu tiếp theo -¿- 5¿©+©++x++£x+2z++rx+erxezrxzred 160DANH MỤC CÁC CONG TRÌNH ĐÃ CÔNG BÓ .2-55¿©7ccccccrxererrred 162IV.)08)2009:7.)/8 9:7 0 — 164

XI

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Rô-to và sta-to nam châm vĩnh cửu thực tế điển hình - s2 10

Hình 2.2 Mô hình mạch điện tương đương của PMSÌM - «sec II

Hình 2.3 Giới hạn vùng làm việc của máy điện trong mặt phang dòng điện 14Hình 2.4 Mối tương quan giữa vùng làm việc của dong điện sta-to và tốc độ PMSM.15Hình 2.5 Nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ PMSM theo phương pháp điều khiến

9 9E 16

Hình 2.6 Giản đồ pha của PMSM trong hệ tọa độ dq [43] - - - -<<<<+<<+ 17Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của phương pháp VCC trên mặt phẳng dòng điện 18

Hình 3.1 Mô hình động cơ PMSM - SH * HH HH HH HH TH HH triệt 35

Hình 3.2 Nguyên lý xác định tổng bình phương sai số dòng điện trong phương pháp

nhận dạng thông số PMSM dựa trên các thuật toán tối ưu ¿-:-scs+s+s+zzszsez 36Hình 3.3 Kết quả lay mẫu tín hiệu điện áp va dòng điện cuộn dây sta-to 37

Hình 3.4 Mô hình mô phỏng động cơ PMSM - Ăn gnệ, 39

Hình 3.5 Mô hình xác định hàm mục tiêu trong nhận dạng thông số động cơ PMSM

dựa trên các thuật toán tối ƯU tk St EESEEEEEEEESEEEEEESESEEEEEEEEEEEEESEEErkrkrrerrrke 40Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán tiến hóa vi sai -5cccccverrrktrrrrtrrrrrtrrrrrrirrrre 43Hình 3.7 Giá trị hàm mục tiêu trong nhận dạng thông sỐ động cơ PMSM bằng thuật

toán tiễn hóa Vi Sai -:-©5¿©52+21‡EEEEE2E12E19712112112717171121121111711 2111111111111 re 44Hình 3.8 Kết quả nhận dang thông số PMSM dựa trên thuật toán DE 45Hình 3.9 Giá trị hàm mục tiêu trong nhận dạng thông số PMSM dựa trên PSO 46Hình 3.10 Kết quả thông số động co PMSM dựa trên thuật toán PSO 47Hình 3.11 So sánh giá trị hàm mục tiêu của các phương pháp nhận dạng thông số động

cơ PMSM băng thuật toán DE và PSO - 2 2 2 +EeEEeEE#EEEEEEEE2E2EEEEEEEEEErkrrree 48Hình 3.12 Giá trị hàm mục tiêu trong nhận dạng thông số PMSM dựa trên MDE 50Hình 3.13 Kết quả nhận dạng thông số động co PMSM dựa trên thuật toán MDE 51Hình 3.14 So sánh giá trị hàm mục tiêu của các phương pháp nhận dạng thông số động

cơ PMSM bang thuật toán DE, PSO và MDE - 2-2 5+ 2+EE+EEvEEtzEzEErrxrrrrres 52Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán tối ưu Jaya -¿- 2 ¿+ +k+SE+EE£EE+EE£EEEerEerkerkrrkrreee 54Hình 3.16 Giá trị hàm mục tiêu trong nhận dạng thông sỐ động cơ PMSM băng thuật

todin Jaya 101 Nha 57Hình 3.17 Kết quả mười lần nhận dạng thông số động cơ PMSM dựa trên thuật toán

v0 N43 57Hình 3.18 So sánh giá trị hàm mục tiêu của các phương pháp nhận dạng thông số động

cơ PMSM băng thuật toán DE, PSO, MDE và Jaya cải tiến - ¿5-55 5sccscccec 58Hinh 4.1 Day tốc độ làm việc của động cơ PMSM -Ă Set 63Hình 4.2 Biểu đồ vectơ các đại lượng có điện trên cuộn dây sta-tO 66Hình 4.3 Nguyên tắc điều khién tốc độ PMSM dựa trên điều khiến công suất phản

kháng và tác dụng của biến tần :-©+- + 2+2E+EESEE2E122122171711211211 7111.211111 68

XI

Hình 4.4 Mô hình hóa hệ thống truyền động PMSM -¿- 2 22©5z2cxccxee 71 Hình 4.5 Biéu diễn của mô hình động cơ PMSM 222 + x2x+2££+zxczxzes 71 Hình 4.6 Sơ đồ mô phỏng Simulink của động COPMSM cccssesssessesssessseestesseesseessees 74

Hình 4.7 Mô hình hóa khối điều khiển trong mô hình điều khiển tốc độ PMSM 75

Hình 4.8 Mô hình khối tính toán trong mô hình điều khiển tốc độ PMSM 76

Hình 4.9 Kết nối bên trong của khối SVPWM S5 St SE 2121212111 re 71 Hình 4.10 Kết nối bên trong mô hình khối InVerfer - 2-2 2 2+s2+s£++£++z++s+zz 77 Hình 4.11 Tốc độ tham chiếu và mô-men tải trong vùng mô-men hang SỐ 82

Hình 4.12 Tốc độ PMSM dựa trên PQC trong vùng mô-men hằng SỐ sec, 83 Hình 4.13 Mô-men điện từ dựa trên PQC trong vùng mô-men hằng số 85

Hình 4.14 Từ thông liên kết dựa trên PQC trong vùng mô-men hang số 85

Hình 4.15 Dòng điện sta-to dựa trên PQC trong vùng mô-men hằng số 86

Hình 4.16 Đáp ứng công suất và góc lệch điện áp của động cơ PMSM trong vùng mô-men hang TT 87 Hình 4.17 Tốc độ tham chiếu va mô-men tải trong vùng từ thông suy giảm 88

Hình 4.18 Tốc độ PMSM dựa trên PQC trong vùng từ thông suy giảm 89

Hình 4.19 Mô-men điện từ dựa trên PQC trong vùng từ thông suy giảm 90

Hình 4.20 Từ thông liên kết dựa trên PQC trong vùng từ thông suy giảm 91

Hình 4.21 Dong điện sta-to dựa trên PQC trong vung từ thông suy giảm 92

Hình 4.22 Đáp ứng công suất và góc lệch điện áp của động cơ PMSM trong vùng từ 0190050308/0547100Ề00010Ẽ1717Ẻ757 92

Hình 4.23 Tốc độ tham chiếu và mô-men tải trong toàn dãy tốc độ - 93

Hình 4.24 Tốc độ PMSM dựa trên PQC trong toàn dãy tốc độ -:-: 94

Hình 4.25 Mô-men điện từ dựa trên PQC trong toan dãy tốc (0 95 Hình 4.26 Từ thông liên kết dựa trên PQC trong toàn dãy tốc độ - -: - 96

Hình 4.27 Dòng điện sta-to dựa trên PQC trong toàn dãy tốc độ - - 97

Hình 4.28 Nguyên tắc điều khiến tốc độ PMSM dựa trên Fuzzy PI kết hợp phương pháp điều khiển công suất phan ứng và công suất tác dụng -2- 2 s=sz+se¿ 98 Hình 4.29 Hàm liên thuộc của ngõ vào và ngõ ra trong bộ điều khiển Fuzzy PI 99

Hình 4.30 Mô hình hóa mô phỏng khối Fuzzy PI 2 2 2 £+2E2E£2££+£++zxzzz 99 Hình 4.31 Tốc độ PMSM dựa trên phương pháp Fuzzy PQC - 101

Hình 4.32 Mô-men điện từ dựa trên phương pháp Fuzzy PỌQC -.- 103

Hình 4.33 Từ thông liên kết dựa trên phương pháp Fuzzy PQC 104

Hình 4.34 Dòng điện sta-to dựa trên phương pháp Fuzzy PQC - 105

Hình 4.35 Công suất tác dung dựa trên Fuzzy PQC trong toàn dãy tốc độ 106

Hình 5.1 Sơ đồ khối của mô hình MRAS cơ bản - c5ccccveccrrrrrrrrrrrree 110 Hình 5.2 Mô hình toán MRAS trong điều khién tốc độ PMSM không cảm bién 113

Hình 5.3 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của bộ ước lượng Fuzzy MRAS 114

Hình 5.4 Hàm liên thuộc của ngõ vào và ngõ ra bộ FUZZY - - «+ c++ 114 Hình 5.5 Nguyên lý điều khiển PMSM không cảm biến sử dụng Fuzzy MRAS 115

xii

Hình 5.6 Mô hình điều khiến tốc độ PMSM không cảm biến sử dụng Fuzzy MRAS116

Hình 5.7 Mô hình bộ ước lượng tốc độ PMSM sử dụng Fuzzy MRAS 117

Hình 5.8 Tốc độ PMSM dựa trên Fuzzy MRAS trong vùng mô-men hang só 119

Hình 5.9 Tốc độ rô-to ước lượng bởi Fuzzy MRAS trong vùng mô-men hăng só I21 Hình 5.10 Mô-men điện từ dựa trên Fuzzy MRAS trong vùng mô-men hang số 122

Hình 5.11 Dòng điện sta-to dựa trên Fuzzy MRAS trong vùng mô-men hăng s6 123

Hình 5.12 Điện áp sta-to dựa trên Fuzzy MRAS trong vùng mô-men hang số 124

Hình 5.13 Tốc độ PMSM dựa trên Fuzzy MRAS trong vùng từ thông suy giảm 125

Hình 5.14 Tốc độ rô-to ước lượng dựa trên bộ quan sát Fuzzy MRAS trong vùng từ 00005091031) 1 127

Hình 5.15 Mô-men điện từ PMSM dựa trên bộ quan sát Fuzzy MRAS trong vùng từ 0101503) 0t) 01107 128

Hình 5.16 Dòng điện sta-to dựa trên Fuzzy MRAS trong vùng từ thông suy giảm 29

Hình 5.17 Điện áp bộ nghịch lưu dựa trên bộ quan sát Fuzzy MRAS trong vùng từ THONG SUY SIAM eee 129

Hình 5.18 Tốc độ động cơ PMSM dựa trên Fuzzy MRAS trong toàn dãy tốc độ 131

Hình 5.19 Tốc độ rô-to ước lượng dựa trên Fuzzy MRAS trong toàn day tốc độ 132

Hình 5.20 Mô-men điện từ PMSM dựa trên Fuzzy MRAS trong toàn dãy tốc độ 133

Hình 5.21 Dòng điện sta-to PMSM dựa trên Fuzzy MRAS trong toàn dãy tốc độ 134

Hình 5.22 Điện áp bộ nghịch lưu dựa trên Fuzzy MRAS trong toàn dãy tốc độ 135

Hình 6.1 Nguyên lý của bộ điều khiển Fuzzy PI 2- 22 5¿©c++2s++cx++zxezsed 139 Hình 6.2 Nguyên lý điều khiến tốc độ PMSM dựa trên bộ điều khién Fuzzy PI 139

Hình 6.3 Hàm liên thuộc của tín hiệu ngõ VàO 5 S5 31+ ssereserrrerersee 140 Hình 6.4 Hàm liên thuộc của tín hiệu 1g6 ra -.- G5 S5 12+ EESsereserrserersee 140 Hình 6.5 Nguyên lý hoạt động của mô hình thực nghiệm điều khiến tốc độ động cơ PMSM dựa trên bộ điều khiển FUZZY PI oo - L 141 Hình 6.6 Mô hình thực nghiệm điều khiển tốc độ PMSM -¿©52- 55+: 142 Hình 6.7 Nguyên lý của bộ drive trong bộ nghịch lưu 6 khóa nguồn áp 143

Hình 6.8 Cau trúc của khối chuyên mach bán dẫn công suất - 2s: 143 Hình 6.9 Cấu trúc tải thay đổi theo nắc cố định - 2-2 s¿+s2+£++£++£xezxzzxszrxee 144 Hình 6.10 Chương trình điều khiển tốc độ động cơ PMSM được thiết kế cho vi điều khiển TMS320F28379D - ¿2 Sc+S<221EE1EE121121127171211211711111121111 1111 1e xe 146 Hình 6.11 Kết quả hàm mục tiêu tối thiểu trong tối ưu thông số bộ điều khiển Fuzzy PI dựa trên thuật toán Jaya cải tiẾn - 22-5: ©5+22+‡2EE2EE2EEE2EEE21E22122121.EEEcrkrrred 149 Hình 6.12 Dap ứng tốc độ PMSM khi tốc độ tham chiếu và mô-men tải thay đồi 50 Hình 6.13 Tốc độ của PMSM trong trạng thái quá độ . 2 s2 s+sz+sz+sze: 151 Hình 6.14 Dòng điện sta-to khi mô-men tải thay đồi 2-52 2 225222252: 153 Hình 6.15 Điện áp trục q được cấp bởi bộ nghịch lưu - 5+ +s<x++sx+ss+exss 154

XIV

DANH MỤC BANG BIEU

Bang 1.1 Bảng so sánh của các động cơ điện trong ứng dụng xe điện [4] 2

Bang 3.1 Bang thông số thực thi thuật toán tiễn hóa vi sai ¿5c 555sccscs+2 44 Bảng 3.2 Bảng kết quả nhận dạng thông số PMSM dựa trên thuật toán DE 45

Bảng 3.3 Bang thông số thực thi thuật toán PSO 2- 22 ++22++2x++zxrzrxerxesree 46 Bảng 3.4 Bảng so sánh chất lượng nhận dạng thông số động cơ PMSM giữa hai phương pháp tối ưu DE và PSO 2-2: +t22++2EE2E12221211271127112112711211121111111 211.11 1 cre 48 Bảng 3.6 Bảng đánh giá chất lượng nhận dạng thông số động cơ PMSM dựa trên thuật IU10/7052002Ẽ21252757 51

Bảng 3.7 Bảng so sánh chất lượng nhận dạng thông số động cơ PMSM giữa ba phương pháp tối ưu DE, PSO và MIDE -:-©2-©S2+2E+EE9EEEEE2E12117171121111 7171.211111 52 Bang 3.8 Thông số thuật toán Jaya cải tiến - 2-52 s+SE2E2EE2EEEEEtEErEkrrxerrrres 56 Bảng 3.9 Bảng đánh giá chất lượng nhận dạng thông số động cơ PMSM dựa trên thuật toán Jaya cải tiỄn :-5:- s2 12 1EEE9E1211211271211211211111112111111 11111111111 rre 57 Bang 3.10 Bang so sánh chất lượng nhận dang thông số động co PMSM giữa bốn phương pháp tối ưu DE, PSO, MDE va Jaya cải tiến 5-55 ©522c<+cxczxecse2 59 Bảng 4.1 Bang thông số động cơ EMJ-O4APB22 ccccscsssesssesssesssesstessecssessseesesssecsseess 78 Bang 4.2 Thông số các bộ điều khiển PI - 2-2 2 2 E+EE++E2EE2EE+EEtzEzEEerxerxeres 79 Bang 4.3 Thông số bộ điều khiển vùng từ thông suy giảm . 55552552 80 Bang 4.4 Thông số các bộ điều khiển PI trong phương pháp điều khiến tốc độ PMSM bang điều khiển công suất tác dụng và công suất phan kháng bộ nghịch lưu 80

Bang 4.5 Chất lượng điều khiến tốc độ PMSM trong vùng mô-men hang số 84

Bảng 4.6 Chất lượng điều khién tốc độ PMSM trong vùng từ thong suy giam 90

Bảng 4.7 Chất lượng điều khiến tốc độ PMSM trong toàn dãy tốc độ 95

Bang 4.8 Bảng luật mờ của hệ số Kp -2- 2-52 £+E£2E£+E££EeEEEEEEEEEEEEEErErrrerreeg 100 Bang 4.9 Bảng luật mờ của hệ số Ki - 2-5252 2E EEEEEEEkerkrrkrrrrees 100 Bảng 4.10 Chất lượng điều khiển tốc độ PMSM dựa trên phương pháp Fuzzy PQC 102 Bảng 5.1 Bảng luật điều khiển mờ của giá trị ngõ ra Kp - 2 25cz+se+seced 114 Bảng 5.2 Bảng luật điều khiển mờ của giá trị ngõ ra Ki -2-c5¿5csc5ss¿ 114 Bảng 5.3 Thông số của các bộ điều khiến trong điều khién tốc độ PMSM 118

XV

Bảng 5.4 Chất lượng điều khiển tốc độ PMSM dựa trên phương pháp Fuzzy MRAStrong vùng mô-men hăng TT 120Bang 5.5 Chất lượng điều khiển tốc độ PMSM dựa trên phương pháp Fuzzy MRAS

trong vùng từ thông SUY Ø1Ải - G1 1111 SH HH Hệ 126

Bang 5.6 Chất lượng điều khiển tốc độ PMSM dựa trên phương pháp Fuzzy MRAStrong toàn dãy tốc độ -: + ©+++2x+2E+923122112212211221127121122112711221211 11.11 crkrre 132Bảng 6.1 Bảng luật điều khiển mờ của kp 2- 5:22 5+22x+2£xv£x+vzxeerxzrxerseee 140Bảng 6.2 Bảng luật điều khiển mờ của ki 2-2-5 2S22EE£EE£E2EEeEEerxerkerrerrxee 140Bang 6.3 Thông số động cơ PMSM - 2-2 SE2SE2EE‡E22EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkerrerg 144Bảng 6.4 Thông số điều khiển của các vòng điều khién PI - ¿525522 147Bang 6.5 Thông số bộ điều khiển Fuzzy tối ưu bằng thuật toán Jaya cải tiễn 148Bảng 6.6 Chất lượng điều khiển tốc độ PMSM trong thực nghiệm - 152

XVI

Điều khiển véc-tơ tựa từ thông

Từ thông suy yếuThuật toán di truyềnSai số tích phân tuyệt đốiPMSM cực lồi

Sai số toàn phương tích phânSai số tuyệt đối thời gian tích

phân — ; ;

Hệ thông điêu khiên thích nghi

tham chiêu theo mô hình mau Mạng nơ-ron

Bộ điều khién tích phân - tỉ lệ

Thuật toán tôi ưu bây đàn

Đệ quy tối thiểuĐáp ứng tần số dừng

Bộ quan sát chế độ trượtĐộng cơ PMSM cực an

Động co từ trở

Điều khiển véc-tơ dong điện

Bộ nghịch lưu nguồn áp

XVI

Alternating Current Induction Motor

Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System

Back Electromotive Force

Direct Current Control Differential Evolution Algorithm

Digital Signal Processors Direct Torque Control

Extended Kalman Filter Finite Element Analysis

Fuzzy Logic Control Field-Oriented Control Flux Weakening

Genetic Algorithm

Integral Absolute Error

Interior PMSM Integral Square Error Integral Time Absolute Error

Model Reference Adaptive System

Neural Network

Propotional Integral

Phase Locked Loop Permanent Magnet Synchronous Motor

Active and Reactive Power Control

Particle Swarm Optimization

Recursive Least Square

Standstill Frequency-Response Sliding Mode Observer

Surface-mounted PMSM Switch Reluctance Motors Vector Current Control

Voltage Source Inverters

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Dat vấn đề

1.1.1 Vấn đề điện khí hóa trong giao thông, công nghiệp và dân dung

Các phương tiện vận chuyên hàng hóa và người hiện nay chủ yếu sử dụng các động cơđốt trong làm động cơ chính Các nhiên liệu lỏng trở thành nguồn năng lượng được lựa

chọn chính trong hoạt động vận tải bởi chúng có mật độ năng lượng cao vả việc vận

chuyên, lưu trữ cũng thuận tiện hơn so với khí ga hay hydro lỏng [1] Tuy nhiên, cácphương tiện vận tải chính là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường không khí

nghiêm trọng khi nó không chỉ thải ra khí CO2 mà còn các loại khí độc hại khác như

SO, SO2, NO2, chi vào môi trường [1].

Các phương tiện vận tải sử dụng điện là một sự thay thế hợp lý trong lĩnh vực vận tảinhằm giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.Nhiều hãng ô tô truyền thống đã bắt đầu bắt tay vào việc sản xuất các chiếc ô tô điệnnhư là GM, Tesla, Nissan, Toyota, Honda, Benz như được thong kế bởi Tao Deng trong[2] Ngoài các nhà sản xuất xe hơi truyền thống thì một số công ty ô tô mới tham giavào thị trường xe hơi cũng đã cho ra đời nhiều dòng xe điện sử dụng động cơ PMSM

như Vinfast với dòng xe VF e34.

Seong Taek Lee đã tổng hợp ưu điểm và nhược điểm của các dòng động cơ điện nhưtrong Bang 1.1 Kết quả này được trích xuất trong nghiên cứu [3] và được trình bàytrong nghiên cứu [4] Một số nghiên cứu về động cơ điện trong các ứng dụng truyềnđộng điện di động [5][6][7] có kết luận rằng thấy rang các động cơ đồng bộ nam châmvĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor — PMSM) có công suất lớn, mật độcông suất cao, khả năng điều khiển vận tốc linh hoạt hơn khi so với động cơ không đồng

bộ (Alternating Current Induction Motor — ACIM), động cơ từ trở (Switch Reluctance

Motors — SRM) và động cơ điện một chiều (Direct Current Motor - DCM) Ngoài ra,xét về mặt vận hành, động cơ PMSM có yêu cầu trì bảo dưỡng ít hơn so với các động

cơ ACIM và DCM Với các ưu điểm này của động cơ PMSM, các hệ thống truyền động

điện sử dụng động cơ PMSM được ưu tiên [8].

Ngoài ra, giá thành sản xuât nam châm giảm xuông và công nghệ sản xuât nam châm

được nâng cao đã dan đên chi phí sản xuât động cơ PMSM cũng được giảm xuông Gia

giảm đã giúp nâng cao tỉ trọng của các hệ thống truyền động PMSM so với các dòng

động cơ khác.

Bảng 1.1 Bảng so sánh của các động cơ điện trong ứng dụng xe điện [4]

Loại động cơ Ưu điểm Nhược điểm

Động cơ DC Dễ điều khiển Yêu cầu bảo trì thường

Đặc tuyến mô-men — vận xuyên

tốc phù hợp với ứng dụng Hiệu suất và độ tin cậy

EV thấp

Dãy vận tốc hoạt độngthấp

Động cơ không Dãy vận toc cao Mật độ công suất thấp và

đồng bộ Độ tin cậy cao kích thước lớn

Chi phí thấp Hiệu suất thấp

Có khả năng làm việc tốt Tỏa nhiệt lớn tại tốc độ

trong môi trường khắc cao

nghiệt

Động cơ Mật độ công suất lớn và BỊ giới hạn dãy tốc độ vận

PMSM kích thước nhỏ hành.

Hiệu suât cao Chi phí cao.

Tôn thất sta-to lớn tại tốc

© Chỉ phí thấp.

1.1.2 Các hạn chế và giải pháp khắc phục cho các bộ truyền động PMSM

Động cơ PMSM được ưu tiên sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu chất lượng điều khiểncao và giảm thiêu bảo trì bảo dưỡng Tuy nhiên với chi phí cao và bị giới hạn dãy tốc

độ vận hành động cơ PMSM còn cần thêm rất nhiều các nghiên cứu dé nang cao honnữa hiệu qua sử dung cũng như giảm thiểu chi phi Mục tiêu chính trong các nghiên cứu

về điều khiển tốc độ động cơ PMSM đó là nghiên cứu nâng cao dãy tốc độ vận hành,nghiên cứu giảm thiêu chi phi bằng cách loại bỏ cảm biến vị trí và nhận dạng thông sốđộng cơ Các hướng nghiên cứu này được phân tích cụ thé trong các phần ngay theo sau.1.1.2.1 Bài toán tăng tốc độ PMSM lên trên tốc độ định mức

Từ thông rô-to được tạo ra bằng các sử dụng các thanh nam châm vĩnh cửu thay vì dòngđiện như các máy điện khác nên không làm phát sinh tổn hao đồng Điều này cho phépPMSM có hiệu suất và mật độ công suất cao hơn so với các động cơ DC, ACIM vàSRM Tuy nhiên, việc sử dụng nam châm vĩnh cửu với từ thông cố định cũng mang lạinhững nhược điểm cho các PMSM Từ thông rô-to cố định sẽ làm cho sức phản điệnđộng (Back Electromotive Force — BEME) tạo ra trên các cuộn dây gần như tuyến tínhvới tốc độ động cơ Trong khi đó, các động cơ PMSM được cấp năng lượng từ các bộnghịch lưu với điện áp ngõ ra bị giới hạn Điều này làm cho vận tốc PMSM bị giới hạnngay cả khi công suất chưa đạt giá trị định mức

Việc tăng tốc độ hoạt động của động cơ một chiều và động cơ đồng bộ được thực hiệnbăng cách giảm tương ứng dòng điện kích từ cho cuộn dây rô-to Trong động cơ PMSM,

từ thông nam châm vĩnh cửu trên rô-to là không thé điều khiển được, việc làm giảm từthông liên kết được thực hiện thông qua việc tạo một dòng điện khử từ theo trục d củanam châm vĩnh cửu [9] Phương pháp giảm từ thông liên kết dé tăng vận tốc PMSMđược gọi chung là phương pháp từ thông suy giảm (Flux Weakening — FW) Có nhiềuphương pháp FW được đề xuất nhăm tăng dãy vận tốc hoạt động cho PMSM nhưphương pháp điều chỉnh tự động (Auto-tuning) [10][11], bộ điều khiển Logic mờ (FuzzyLogic Control — FLC) [12][13][14], diéu khién tir thông suy giảm dựa trên thuật toánUDE cải tiến (Improved UDE-Based Flux-Weakening Control) [15], điều khiến hiệu

chỉnh dòng điện đơn lẻ (Single Current Regulator Control) [16][17][18] Các phương

pháp điều khién đã cải thiện chất lượng điều khiến vận tốc PMSM khi vận tốc vượt quávận tốc định mức Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vẫn đề cần được cải thiện và khắc phục nhưxác định thời điểm và điều kiện chuyền từ vùng hoạt động thông thường qua vùng FW,vấn đề giảm nhấp nhô mô-men điện từ.

1.1.2.2 Bài toán điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ PMSM

Trong các ứng dụng tốc độ động cơ thay đôi, các bộ điều khiến sử dung để điều chỉnhtốc độ theo yêu cau Các bộ điều khiển tốc độ PMSM thường sử dụng các phương pháp

điều khiển véc-tơ nhằm nâng cao chất lượng điều khiến tốc độ, hiệu suất hoạt động Cóhai phương pháp điều khiến véc-tơ chính và các cải tiến của các phương pháp điều khiểnnày là phương pháp điều khiển véc-tơ tựa từ thông (Field-Oriented Control - FOC)[19][20][21] và phương pháp điều khiển mô-men trực tiếp (Direct Torque Control-DTC) tiêu biểu trong [22][23][24]

Trong các bộ truyền động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dung phươngpháp điều khiển véc-tơ, yêu cầu về thông tin vị trí cũng như tốc độ thực tế của động cơ

là cần thiết Do đó dé đảm bảo chất lượng điều khién cũng như tính ôn định của hệthống truyền động, các bộ cảm biến vị trí góc rô-to được lắp đồng trục với trục của động

cơ Việc lắp thêm các bộ cảm biến vị trí sẽ làm gia tăng chi phí lắp đặt cũng như khônggian lắp đặt Đối với một số ứng dụng công suất thấp, năng lượng dành cho bộ cảm biến

là đáng kế và sẽ làm hiệu suất vận hành của hệ thống truyền động này Việc tim ra cácgiải pháp hợp lý để loại bỏ cảm biến vị trí rôto là yêu cầu bắt buộc trong việc nâng caochat lượng bộ điều khiển và giảm giá thành sản phẩm Các phương pháp điều khiến tốc

độ PMSM không sử dụng cảm biến vị trí rô-to được gọi chung là phương pháp điềukhiển PMSM không cảm biến

Nhiều phương pháp điều khiển PMSM không cảm biến được đề xuất và sử dụng trongthời gian gần đây Các phương pháp được đề xuất này bao gồm bộ quan sát chế độ trượt(Sliding Mode Observer — SMO) [25][26], Hệ thong thich nghi tham chiếu mô hình

(Model Reference Adaptive System — MRAS) [27][28], Bộ loc Kalman mở rộng

(Extended Kalman Filter — EKF) [29][30], Phuong pháp ước lượng sức điện cam ứng

[31][32], Phương pháp dựa vào tần số cao [33][34]

Các phương pháp xác định vị trí và tốc độ động cơ PMSM không cảm biến thường dựa

trên các giá trị về dòng điện và điện áp đê đưa ra các ước lượng toc độ va vi tri rô-to.

Cac giá tri ước lượng được thường dao động trong một khoảng nào đó đó mặc dù vận

tốc rô-to đang không đổi Do đó, dé cải thiện hơn nữa hiệu suất của các phương phápđiều khiển không cảm biến, cần có nhiều nghiên cứu hơn bằng các phương pháp điềukhiển mới và giải pháp giảm thiêu tác động tiêu cực của hiện tượng dao động tốc độ gây

ra.

1.1.2.3 Bài toán ước lượng thông số động cơ PMSM

Việc điều khiển vận tốc của động cơ PMSM trong cả hai phương pháp FOC và DTC

đều được thực hiện tự động qua bộ điều khiến tỉ lệ- tích phân (Propotional Integral - PI).Diéu này cho phép nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống Tuy nhiên, việc lựa chọncác thông số Kp, Ki phụ thuộc rất lớn vào các thông số của động cơ PMSM được điềukhiển Do đó, dé nâng cao hiệu quả hoạt động của các bộ điều khiển PI thì vấn dé xácđịnh chính xác các thông số động cơ PMSM có vai trò hết sức quan trọng và là mộttrong các vấn đề cần xác định ban đầu của nhiệm vụ điều khiển động cơ PMSM

Ngoài ra, khi kết hợp với yêu cầu mở rộng dãy vận tốc hoạt động của động cơ sang vùnglàm việc FW và điều khiển PMSM không cảm biến thì yêu cầu sử dụng thông số PMSMtrong các yêu cầu về chuyên vùng điều khiển FW hay trong van đề ước lượng tốc độ rô-

to Do tầm quan trọng của vấn đề xác định thông số động cơ PMSM, nhiều nghiên cứuđược công bố nhằm nâng cao độ chính xác, giảm thời gian tính toán hay giảm chỉ phíthực hiện được đề xuất trong những năm gần đây Dựa trên các hướng nghiên cứu vềnhận dạng thông số PMSM, Các phương pháp nhận dạng có thể được chia thành hai

nhóm lớn là phương pháp nhận dạng theo thời gian thực và phương pháp nhận dạng sau

đo lường Phương pháp nhận dạng thời gian thực được sử dụng rộng rãi để giải quyếtcác van dé bù nhiễu trong các hệ thống điều khiến thích nghỉ [35][36] Các phương phápnhận dạng sau đo lường đã được thiết kế để ước tính các tham số dựa trên dữ liệu đolường trong thời gian dài hơn Các phương pháp này sẽ xác định giá trị thông số thôngqua các thuật toán tối ưu với thời gian tính toán lâu hơn và độ chính xác trong tính toán

cũng cao hơn.

1.2 Pham vi nghiên cứu

Van đề điều khiến toàn diện các bộ truyền động của động cơ PMSM là phức tạp, đòi hỏi

cơ sở vật chất về các thiết bị PMSM, vật liệu, thiết bị đo lường, Trong đó, cần phải

thực hiện các nghiên cứu cải tiễn cau trúc động cơ hiện hữu và nghiên cứu áp dụng vậtliệu mới Ngoài ra, cũng cần phải giải quyết nhiều vấn đề khác như khả năng đóng cắtcác khoá bán dẫn, sự trễ trong đáp ứng tín hiệu điều khiển, các nhiễu tham gia vào khâu

đo lường hoặc các sự cô trong quá trình thực nghiệm, khả năng đáp ứng xung dòng điệncủa động cơ, khả năng bảo vệ quá dong điện cho bán dẫn công suất, sự khác nhau giữatính toán lý thuyết và thực nghiệm khi nhiệt độ nam châm tăng khi có tải, dẫn đến từthông thay đổi, Do đó, trong luận án sẽ chưa thực hiện đánh giá tính kha thi toàndiện trong quá trình tiến hành thực nghiệm như khả năng đáp ứng xung dòng điện củađộng cơ, kha năng bảo vệ quá dong điện cho bán dẫn công suất, hay van đề chống nhiễubên ngoài vào hệ thống truyền động và chống nhiễu trong quá trình đo lường thực tế

Do đó, với yêu cầu của một luận án tiến sĩ, Nghiên cứu sinh lựa chọn giải quyết một sốvấn đề như sau:

e Nang cao hiệu quả hoạt động của động co PMSM dựa trên việc cải tiễn các thuật

toán điều khiển tốc độ Đánh giá hiệu quả các thuật toán điều khiển thông minhtrong vấn đề nâng cao chất lượng điều khiển và khả năng áp dụng của các bộtruyền động điện PMSM

e Phát triển các giải pháp nhận dạng dé từng bước nhúng vào hệ thống điều khiển

động cơ PMSM.

e Trên cơ sở các nghiên cứu giải pháp tiến tới xây dựng và hoàn thiện hệ thống

thực nghiệm trên PMSM

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Qua phân tích chỉ tiết các van đề cần phải giải quyết trong bài toán điều khiển tốc độđộng cơ PMSM, luận án nhận thấy mục tiêu cần phải giải quyết đó là mở rộng dãy tốc

độ hoạt động của động cơ PMSM, áp dụng thuật toán thông minh trong điều khiến tốc

độ không cảm biến và nhận dạng thông số động cơ PMSM

Đối với các hệ thống truyền động tốc độ thay đổi, van đề mở rộng dãy tốc độ vận hànhluôn là một yêu cầu bắt buộc Bài toán mở rộng dãy vận tốc hoạt động của động cơ thay

vì các phương pháp thay đôi cau trúc cơ khí như hộp số, tỉ lệ bánh răng sẽ giúp tận dụnglại các linh kiện này và không tốn thêm chi phí hay thay đồi kết cau cho bộ truyền động

Điều này là phù hợp với trình độ công nghệ và khả năng kinh tế của nước ta hiện nay.Mục tiêu chính của luận án là làm rõ bản chất, cách thức hoạt động và đề xuất cácphương pháp điều khién mới nhằm nâng cao hơn nữa chất lượng hoạt động của các động

cơ PMSM trong vùng FW.

Trong điều khiển tốc độ động cơ PMSM không cảm biến, tốc độ ước lượng bang thuật

toán không đứng yên mà luôn giao động quanh giá trị thực trong trạng thái tĩnh, hoặc

không bắt kịp tốc độ thực tế trong quá trình quá độ khi thay đổi điều kiện làm việc Điềunày làm cho chất lượng điều khiển tốc độ giảm xuống Dé nâng cao chất lượng điềukhiến tốc độ, luận án đề xuất áp dụng phương pháp điều khiến thông minh vào van déước lượng tốc độ động cơ

Thông số động cơ ảnh hưởng rất lớn đến việc xác định các thông số bộ điều khién và từ

đó tác động đến chất lượng điều khiển tốc độ cũng như ảnh hưởng đến độ chính xác củacác vận tốc ước lượng bằng thuật toán Luận án đề xuất phương pháp xác định thông sốđộng cơ PMSM thông qua các thuật toán tối ưu

1.4 Nội dung nghiên cứu của luận án

Với mục tiêu nghiên cứu được dé xuất và phân tích ở phần trên là mở rộng vận tốc hoạtđộng và nhận dạng thông số PMSM, luận án dé xuất các mục tiêu va nhiệm vụ nghiên

cứu như sau:

Về mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu trong mở rộng dãy vận tốc PMSM:

e Nang cao độ ôn định giảm nhấp nhô dòng điện và mô-men trong quá trình chuyển

từ vùng vận tốc dưới định mức sang vùng FW Như phân tích ở phần trên, nguyên

lý chuyên đổi vận tốc qua lại giữa vùng mô-men hăng số và công suất hằng sốphải đảm bảo việc chuyền đôi được diễn ra đơn giản, chuyên đôi tự động dựatrên các biến điều khiển đo lường được

e Giảm sự dao động tốc độ động cơ PMSM trong quá trình thay đôi vận tốc rô-to

trong vùng trên vận tốc định mức Tại vùng công suất hằng só, vận tốc rô-to lớnhơn vận tốc định mức và mô-men điện từ tạo ra thấp đã làm cho việc điều khiểnvận tốc gặp nhiều khó khăn khi phải giải quyết đồng thời hai nhiệm vụ là giới

hạn dòng điện và giới hạn điện áp.

e Nâng cao độ ôn định giảm nhấp nhô dòng điện và mô-men trong quá trình thay

đổi men tải đầu trục khi động cơ hoạt động trong ving FW Việc tăng men điện từ trong vùng FW không được thực hiện trực tiếp qua việc tăng dongđiện trục q vì sẽ dẫn đến vi phạm vùng điện áp hoạt động Cần phải có các phươngpháp tăng mô-men điện một cách hiệu quả tránh gây mat ôn định bộ điều khiến

mô-Về mục tiêu nghiên cứu giảm thiểu hiện tượng dao động tốc độ ước lượng trong bài toánđiều khiển tốc độ động cơ PMSM không cảm biến:

e Nghiên cứu tong quan về các phương pháp ước lượng tốc độ động cơ dựa trên

các giá trị dòng điện và điện áp đo được.

Đề xuất ứng dụng tính toán thông minh trong các thuật toán ước lượng tốc độđộng cơ Các thuật toán thông minh có tiềm năng rất lớn trong việc giải các bàitoán phức tạp với nhiều đặc tính khác nhau của đối tượng điều khiển phi tuyến

Về mục tiêu nghiên cứu trong nhận dạng thông số động cơ PMSM:

1.5

e _ Nghiên cứu tong quan về động cơ PMSM bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động,

các ứng dụng chính và các phương pháp toán hóa mô hình động cơ.

Tìm hiểu tổng quan các phương pháp nhận dạng thông số động cơ đã được công

bố gần đây Thông qua các phương pháp nhận dạng này, đề xuất phương pháp

nhận dạng thông sô động cơ mới có độ chính xác cao hơn.

Bo cục luận án

Luận án được bô cục thành 5 chương với các chức năng cụ thê như sau:

© Chương 1: Giới thiệu chung Chương | giới thiệu về toàn bộ những van đề chung

nhất trong luận án như tổng quan các bài toán trong điều khiển tốc độ động cơPMSM, mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu và bố cục luận án

Chương 2: Giới thiệu tông quan về PMSM Chương 2 giới thiệu cấu tạo, nguyên

lý hoạt động, mô hình toán và các giới hạn của động cơ PMSM Ngoài ra, chương

2 giới thiệu tổng quan các vấn đề mở rộng dãy tốc độ làm việc của động cơPMSM, van dé điều khiển không cảm biến và van đề nhận dạng thông số động

cơ Dựa trên các kiến thức đã thu thập được về các bài toán trong điều khiến tốc

độ PMSM, một số các hướng nghiên cứu tiếp cận mới trong luận án được đề xuất

thực hiện.

Chương 3: Bài toán nhận dang thông số động cơ PMSM Chương nay trình bàycác kết quả thu được khi áp dụng các phương pháp nhận dạng thông số động cơPMSM bang các thuật toán tinh toán thông minh Các kết quả thu được sẽ đượcdùng đề phân tích và đánh giá hiệu quả của phương pháp được đề xuất so với các

phương pháp nhận dạng khác.

Chương 4: Bài toán mở rộng dãy vận tốc hoạt động của PMSM Dựa vào cácphân tích đánh giá tổng quan cho các phương pháp mở rộng dãy tốc độ hoạt độngcủa bộ truyền động PMSM, luận án trình bày phương pháp mở rộng dãy tốc độđược đề xuất Các kết quả mô phỏng được trình bày chỉ tiết nhằm đánh giá hiệuquả nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ PMSM trong toàn vùng tốc độ hoạtđộng và so sánh các kết quả này với các phương pháp được dùng làm so sánh

Chương 5: Bài toán điều khiển không cảm biến trong điều khiển tốc độ động cơPMSM Phương pháp điều khiển không cảm biến được đề xuất trong luận ánđược trình bày chỉ tiết Đánh giá và so sánh hiệu quả của phương pháp điều khiéntốc độ không cảm biến được thực hiện dựa trên các kết quả thu được nhằm lam

rõ hơn đóng góp của phương pháp điều khiển mới

Chương 6: Thực nghiệm điều khiển nâng cao tốc độ động cơ PMSM Trong

chương nay, mô hình thực nghiệm điều khiển tốc độ PMSM dựa trên bộ điều

khiển Fuzzy PI được đề xuất và xây dựng Nhằm nâng cao hiệu quả điều khiểntốc độ của bộ điều khiến Fuzzy PI, thuật toán tối ưu J aya cải tiễn được áp dụng

dé tìm kiếm thông số bộ điều khiển Fuzzy PI được đề xuất

Chương 7: Kết luận và kiến nghị Các kết luận được đưa ra dựa trên mục tiêu vàkết quả thực hiện được trong luận án Ngoài ra, dựa trên các kết quả này, một SỐthiếu sót và tồn tại cũng được chỉ ra Các kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếptheo sẽ được đề xuất trong nội dung của chương nay dựa trên các tồn tại trong

luận án.

CHƯƠNG 2 TONG QUAN

2.1 Giới thiệu về động co PMSM

2.1.1 Cấu tạo của động co PMSM

Cấu tạo PMSM được phân thành hai phần chính là sta-to và rô-to như những lại động

cơ điện khác Hình 2.1 thể hiện hình ảnh thực tế điển hình của sta-to và rô-to PMSM

Trong phần lớn các trường hợp, sta-to là phần đứng yên nằm bên ngoài rô-to và liên kết

cơ khí chặt chẽ với phần vỏ máy Sta-to bao gồm lõi thép và các cuộn dây quấn Lõi

thép có nhiệm vụ dẫn từ được sinh ra khi dòng điện chạy trong các cuộn dây Lõi thép

được tạo ra bằng cách ghép các lá thép kỹ thuật điện cách điện với nhau bằng các kớpsơn cách điện Cau trúc này cho phép chúng có khả năng dẫn từ tốt trong khi giảm đượctốn thất gây ra bởi đòng điện Foucault do hiệu ứng Joule-Lenz Các lá thép được ghéplại sao cho tạo thành một trụ rỗng bên trong Khoảng không gian này chính là nơi lắpđặt trục rô-to Các cuộn dây sta-to được bố trí thành các búi dây va phân bố đều trongcác khe hở của lõi thép sta-to Cách bồ tri các cuộn dây PMSM tương tự như các bố trícác cuộn dây trong máy điện không đồng bộ khi chúng phân bé đều và lệch nhau một

góc 120° trong không gian.

10

Khác với động cơ một chiều hay động cơ không đồng bộ, rô-to của PMSM được cấu tạo

từ các thanh nam châm vĩnh cửu thay vì các cuộn dây và thanh dẫn Các phiến namchâm được xếp đối xứng nhau nhằm tạo ra một từ trường không đổi cho rô-to Tùy vàocác đặc tính riêng cho từng dòng động cơ mà các phiến nam châm được sắp xếp theomột cau trúc riêng Sự khác nhau này bao gồm cả về số lượng các thanh nam châm và

hình dáng của chúng trên rô-to.

2.1.2 Mô hình toán PMSM

Theo nghiên cứu [37], mạch điện tương đương theo hệ trục tọa độ dq của động cơ PMSM

được thể hiện như trong Hình 2.2

Hình 2.2 Mô hình mạch điện tương đương của PMSM

Theo mô hình tương đương thể hiện trong Hình 2.2, phương trình điện áp theo trục d

(v,) và trục q (v „) của các thành phần được thể hiện lần lượt qua các phương trình (2.1)

và (2.2)

v, = Ri, + — —@ Â, (2.1)

_ da

v, = Ri, _ oA, (2.2)

Với A, va A, là từ thông liên kết lần lượt theo trục d và trục q và được tính toán theo các

công thức (2.3) và (2.4) như sau.

L„ là điện cảm theo trục q

A, là biên độ từ thông rò sinh ra bởi ngăn mach châm vĩnh cửu gan ở rô-to.

Thế các phương trình (2.3) và (2.4) vào các phương trình (2.1) và (2.2), phương trìnhđiện áp các thành phần được viết lại như trong các phương trình (2.5) và (2.6):

, đi

v, =R, i, Thu Oly (2.5)

di,

Vụ = Ra, + L, at + @® Tàn, + OA yn (2.6)

Từ các phương trình (2.5) và (2.6), phương trình đạo ham dòng điện theo trục d và trục

q được việt lại như sau

di 1

i, + ,

= 7, ( R, ly o,L,i,) (2.7)

% | (v, R, dụ ®, Lư OA yn ) ee)q

Theo công bố về mô hình hóa mô phỏng động co PMSM trong [38], mô-men điện từ

của PMSM được tính toán như trong (2.9).

J : mô-men quán tính của rô-to với tai được kết nôi.

F: Hệ sô mô-men ma sát của trục r6-to.

6: Vi trí góc rô-to.

12

T,„: mô-men tải đầu trục

đ)„: vận tốc góc của rô-to hay còn gọi là vận tốc cơ của động cơ

2.1.3 Giới han vùng làm việc của động cơ PMSM

Khi dòng điện chạy qua các cuộn dây sta-to sẽ tạo nên nhiệt lượng và làm các cuộn dây

này nóng lên Do đó, các động cơ điện luôn có yêu cầu về hệ thống tản nhiệt cho cácthành phần bên trong động cơ Tuy nhiên, khả năng tản nhiệt của động cơ chỉ được thiết

kế dé vận hành ở một cấp độ nhất định, khi lượng nhiệt gia tăng vượt quá khả năng tảnnhiệt của động cơ thì động cơ có thể bị hư hỏng hoặc cháy nỗ do sự gia tăng quá mứcnhiệt độ trong động cơ gây ra Dé đảm bảo an toàn vận hành, dòng điện cuộn dây sta-tothường được giới hạn ở một giá trị xác định cụ thể Giá trị dòng điện lớn nhất này đượcquy định bởi nhà sản xuất động cơ Gọi giá trị dòng điện cực đại cho phép là i trong

trạng thái xác lập, dòng điện trục d và trục q trên sta-to tuân theo giới hạn trong phương

trình (2.12) Giới hạn này khi được mô tả trong hệ tọa độ dq của dòng điện là đường

màu xanh liền nét trong Hình 2.3

(@,L,) cũng tăng cao hơn so với giá trị điện trở của chính nó Như vậy, khi vận hành ở

tốc độ cao, có thể bỏ qua sụt áp trên cuộn dây gây ra bởi điện trở nội của cuộn dây Mặtkhác, trong trạng thái tĩnh, từ thông liên kết có thể coi là hằng số Điều này dẫn đến đạohàm các thành phần theo trục d và trục q của từ thông liên kết bằng không(dA, / dt =0;dA, / dt =0) Do đó, khi vận tốc rô-to lớn hơn hoặc bằng vận tốc định mức

động cơ, phương trình điện áp sta-to trong (2.5) và (2.6) có thể viết lại theo các phương

trình (2.13) và (2.14).

v, =—@,L,i, (2.13)

Vv, = O,Lyig + OAym (2.14)

Goi gia trị biên độ điện áp được cấp bởi bộ nghịch lưu là v, Tai vùng điện áp cao, biên

độ điện áp bộ nghịch lưu được xác định theo phương trình (2.15).

13

vệ =v2 +v? =o? (Li) +(L,i, +n) | (2.15)

Mối liên hệ giữa dòng điện sta-to với điện áp sta-to và tốc độ PMSM được thé hiện trongphương trình (2.16) Phương trình (2.16) được suy ra từ phương trình (2.15) bang cachchuyên về tham số tốc độ điện động co PMSM Kết quả của mối liên hệ này là dòngđiện của động cơ PMSM nam trên một đường cong dang elip có tâm đối xứng là điểm

Giới han điện áp được xác định dựa trên kha năng cach điện của động co và điện áp hình

sin tối đa có thể được tạo ra bởi bộ nghịch lưu, được xác định bởi điện áp một chiều củanguồn cấp cho bộ nghịch lưu Nếu điện áp cấp cho động cơ PMSM đạt giá trị lớn nhất

lày vùng làm việc của động cơ sẽ được giới hạn trong đường màu xanh nét đứt như

thé hiện trong Hình 2.3 Điểm làm việc của động cơ có biên là đường cong nét đứt mauxanh và phương trình của đường cong này được thê hiện như trong (2.17) Đối với động

cơ SPMSM có L,=L,=L,, đường giới hạn sẽ là một đường tròn có tâm là

Ođ,.i„) =(—„„ /L,,0) như thé hiện trong Hình 2.3a

of (L;i, Ỷ øỆ (Lyi, + Dim)

Đường tron giới han dong điên

a SPMSM b IPMSM

Hình 2.3 Giới han vùng làm việc của máy điện trong mặt phang dòng điệnKhi tốc độ động cơ tăng lên trên tốc độ định mức, giá trị tốc độ góc quay của điện áp

cũng tang theo tương ứng Lúc này đường biên giới han dòng điện theo điện áp bi co lại

theo kết quả suy ra từ phương trình (2.17) Biểu diễn trong mặt phăng dòng điện sta-to

14

của kết quả này được thê hiện như trong Hình 2.4 Trong mặt phăng này các tốc độ đượcthiết lập theo nguyên tắc @, <@, < ø,, với @, là tốc độ định mức của động cơ PMSM.Như vậy, trong trạng thái vận hành thông thường với tốc độ PMSM dưới tốc độ định

mức, dòng điện chạy vào các cuộn dây sta-to bi giới han trong vùng được gạch chéo.

Vùng này được gọi là vùng giới hạn hoạt động lớn nhất của động cơ PMSM Khi động

cơ hoạt động với tốc độ lớn hơn tốc độ định mức, vùng giới hạn này bị thu hẹp lại, điềukiện làm việc của động cơ cũng vì thế bị bó hẹp hơn như thé hiện trong Hình 2.4

và trình bay trong cuốn sách [40] Qua quá trình ứng dụng thuật toán FOC trong điềukhiển tốc độ PMSM, nhiều mô hình điều khiển tốc độ với một số cải tiến khác nhauđược đề xuất và ứng dụng Một trong các mô hình FOC đơn giản được đề xuất bởi GeXie [39] như thé hiện trong Hình 2.5

Trong phương pháp FOC cơ bản, để thu được mô-men lớn nhất với cùng một giá trịdòng điện, dòng điện trên trục d của sta-to (¡„„„) được giữ băng 0 Việc điều khiển vận

tốc quay của rô-to được thực hiện gián tiếp thông qua việc điều khiển độ lớn dòng điệntrục q (i,,.,) đi vào sta-to thông qua một bộ điều khiển PI với thông số đầu vào là độ

chênh lệch vận tôc tham chiêu và vận tôc thực tê trên rô-to Dòng điện trên sta-to được

thay đổi tăng hoặc giảm bám theo dòng điện tham chiếu được thực hiện thông qua sự

15

thay đôi điện áp đặt vào các đầu dây quấn sta-to Các bộ điều khiển dòng điện PI được

sử dụng để thay đôi điện ap đầu vào sta-to dựa trên sự sai lệch dòng điện giữa giá trỊtham chiếu và giá trị thực tế trên sta-to

tác dụng của nó.

Hiện nay, cùng với sự phát trién nhanh chóng của các bộ nghịch lưu ba pha, các bộ điềukhién động cơ PMSM theo phương pháp FOC cũng được áp dụng rộng rãi Đồng thời,với yêu cầu nâng cao hiệu quả hoạt động, các cải tiễn của phương pháp FOC [41][42]cũng được nghiên cứu và dem lại hiệu suất cao hơn so với các phương pháp điều khiếntruyền thống

2.2 _ Tổng quan các phương pháp mở rộng dãy tốc độ điều khiển của PMSM

2.2.1 Giới thiệu

Ưu điểm chính của động cơ PMSM là từ thông rô-to được tạo thành bởi từ thông namchâm vĩnh cửu Điều này cho phép loại bỏ tốn thất nhiệt khi loại bỏ dòng điện chạytrong rô-to, từ đó tăng hiệu suất chuyền đổi điện năng thành cơ năng Tuy nhiên, khi từthông nam châm gần như không thay đổi trong suốt quá trình vận hành nên sức điện

động cảm ứng của nó tạo nên trong lòng các cuộn dây sta-to tỉ lệ thuận với toc độ quay

16

quanh trục rô-to của nam châm Điều này kéo theo vấn đề là khi tốc độ rô-to vượt quátốc độ định mức động cơ, giá tri BEMF này vượt quá điện áp định mức cấp bởi bộnghịch lưu và động cơ không thể tăng tốc lên được nữa.

Dé có thé tiếp tục bơm thêm công suất tác dụng vào động cơ và tăng tốc độ PMSM, góc

tạo bởi điện áp sta-to và BEME được mở rộng, hay giá trị dòng điện trục d phải tăng lên

theo chiều âm như được thể hiện trong Hình 2.6 Khi nhu cầu tăng tốc độ PMSM càng

lớn thì giá tri dòng điện trục d của cuộn dây sta-to càng lớn lên Sự gia tăng giá trị dòng

điện trục d theo chiều âm làm cho từ thông liên kết giữa sta-to và rô-to trên trục d sẽgiảm xuống theo tính toán trong phương trình (2.3) Do đó phương pháp điều khiến tốc

độ PMSM trong vùng công suất hằng số với tốc độ rô-to lớn hơn tr định mức còn đượcgọi là điều khiển trong vùng từ thông suy giảm

Hình 2.6 Gian đồ pha của PMSM trong hệ tọa độ dq [43]

Khi nghiên cứu tổng quan các phương pháp điều khiến tốc độ PMSM trong vùng FWgần đây nhận thấy có bốn nhóm giải pháp chính được sử dụng đó là điều khiển véc-tơdòng điện VCC, điều khiển dòng điện trực tiếp (Direct Current Control — DCC), phươngpháp điều khiển theo véc-tơ từ thông và phương pháp tra bảng mô-men và từ thông Mỗi

phương pháp đêu có các ưu diém và nhược điêm khác nhau Nguyên lý làm việc và các

17

đặc điểm chính của các phương pháp điều khiển tốc độ PMSM trong vùng FW đượctrình bày chỉ tiết trong các phần dưới đây.

2.2.2 Phương pháp điều khiển véc-tơ dòng điện

Hình 2.7 thé hiện nguyên tắc hoạt động của phương pháp điều khiển véc-tơ dòng điện(Vector Current Control — VCC) trên mặt phẳng dòng điện sta-to Xét hai véc-to dòngđiện (i,,i,) có cùng biên độ nhưng khác nhau về góc (/, > /), có thể nhận ra rằng điện

áp trên sta-to của dòng điện i, sẽ thấp hơn điện áp trên sta-to của dòng điện i, vì lúc nàydòng điện ¡, có dòng điện thành phan trục d âm hơn va dong điện thành phan trục q nhỏhon so với dòng điện i, Như vậy bằng cách tăng góc véc-tơ dòng điện sta-to có thé làm

giảm điện áp trên sta-to và đưa động cơ vào vùng FW sâu hơn Việc điều khiển vận tốc

PMSM được thực hiện thông qua điều khiển biên độ dòng điện sta-to Điều khiển

véc-tơ dòng điện được đề xuất qua các nghiên cứu [44][45][46]

MTPA A;

"¬-—`—-—-7

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của phương pháp VCC trên mặt phăng dòng điện

Việc điều khiển theo véc-tơ dòng điện cho phép động cơ không bị quá dòng định mức.Điều này có ưu điểm là đảm bảo động cơ vận hành được ôn định về nhiệt và lực điện

từ Tuy nhiên, trong vùng FW, sự dao động góc dòng điện sẽ dé làm cho điện áp bộ

nghịch lưu vượt quá điện áp định mức của nó Kết quả là sự dao động mô-men điện từ

và mô-men dòng điện tại vùng từ thông suy giảm.

2.2.3 Phương pháp điều khiển dòng điện trực tiếp

Phương pháp điều khién dòng điện trực tiếp (DCC) được đề xuất trong các nghiên cứu[47][48] Nguyên tắc điều khiển của phương pháp này là sử dụng khả năng điều khiểnriêng lẻ giữa mô-men điện từ và điện áp sta-to Dựa trên phương trình (2.10) có thể nhận

18

thấy rằng dòng điện trục q mới ảnh hưởng chính đến mô-men điện từ Nguyên tắc giảmđiện áp sta-to trong vùng FW là tăng dòng điện trục d theo chiều âm Dé đảm bao dòngđiện sta-to không vượt quá giá trị định mức, dòng điện theo trục q được giảm xuống dựatrên sự điều chỉnh của dòng điện trục d thông qua bộ giới hạn.

Phương pháp điều khiển theo véc-tơ dòng điện có ưu điểm là tách biệt khâu điện ápdòng điện trục d (điều khiển điện áp) và điều khiển dòng điện trục q (điều khiển mô-men điện từ) được tách biệt nhau Điều này cho phép điều khiển độc lập của hai thông

số tốc độ và điện áp Tuy nhiên, khi tong hợp hợp hai thành phan trục d và trục q củađiện áp bộ nghịch lưu thì biên độ điện áp tổng lại vượt quá điện áp giới hạn của bộ

nghịch lưu trong vùng FW Đây cũng là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự

dao động mô-men điện từ lớn hơn khi vận hành trong vùng FW.

2.2.4 Phương pháp điều khiển véc-tơ từ thông

Thuật toán điều khiển DCC, khi hoạt động tại vùng FW, điện áp tham chiếu trong quá

trình quá độ vận tốc của PMSM thường hay vượt quá giá trị giới hạn của điện áp ngõ ra

bộ nghịch lưu Điều này là hợp lý khi dòng điện được điều chỉnh bởi các bộ điều khiển

PI dùng chung cho trường hợp vận hành trên và dưới vận tốc định mức Dé giảm đáng

ké ảnh hưởng bat lợi này, phương pháp điều khiển véc-tơ từ thông được sử dụng khi vậntốc PMSM làm việc trong vùng FW [49][50] Từ thông liên kết giữa sta-to và rô-to chính

là nguyên nhân chủ yếu gây nên hiện tượng quá áp khi vận hành tại FW Khi khống chếđược bộ tăng này thì điện áp sẽ không gặp phải hiện tượng vot 16 khi vận hành tại vùng

FW Trong thuật toán điều khiển này, biên độ từ thông được sử dụng dé thay đổi điện

áp bộ nghịch lưu khi tăng biên độ véc-tơ từ thông sẽ tăng điện áp tham chiếu, góc pha

từ thông liên kết được dùng cho thay đổi men với việc tăng góc từ thông sẽ tăng

mô-men điện từ và ngược lại.

Phương pháp điều khiển véc-tơ từ thông đảm bảo cho điện áp tham chiếu từ bộ nghịchlưu không vượt quá điện áp định mức cho phép Tuy nhiên khi thay đôi góc từ thông déthay đối mô-men thì khả năng vi phạm dòng điện định mức của động cơ xuất hiện Đểkhông vi phạm dòng điện định mức thì cần có thuật toán giới hạn dòng điện đi kèm.Điều này làm phức tạp thêm cho thuật toán điều khiến tốc độ

19

2.2.5 Phương pháp điều khiển dựa trên tra bảng mô-men và từ thông

Một bảng tra giữa có ngõ vào là biên độ từ thông liên kết, mô-men điện từ và ngõ ra là

dòng điện trên hai trục d và q được xây dựng nên qua hoạt động thực nghiệm Dựa vào

bảng tra này, khi có sự thay đổi mô-men và từ thông theo điều kiện làm việc thì dòngđiện trục d và trục q được xác định thông qua bảng tra như đề xuất trong các nghiên cứu[51][52] Vận tốc rô-to được điều khiển thông qua mô-men tham chiếu được ước lượng

từ bộ điều khiến vận tốc Điện áp ngõ ra được giữ ồn định dưới điện áp giới hạn bộnghịch lưu thông qua việc điều khiển biên độ từ thông liên kết

Với việc sử dụng bảng tra, việc tính toán được xác định điểm làm việc được thực hiệnnhanh hơn Tuy nhiên, sự khác nhau về thông số giữa các động cơ làm cho độ chính xácgiảm xuống Ngoài ra, bộ điều khiển phải có khả năng lưu trữ một lượng lớn dit liệuhoạt động cũng góp phan tăng chi phí yêu cầu kỹ thuật cho bộ điều khiển Dé tăng độchính xác thì các thuật toán tra bảng thích nghi phải được áp dụng Điều này làm tăngtính phức tạp cho bộ điều khiển, làm giảm khả năng áp dụng đại tra cho thuật toán tra

bảng.

2.2.6 Hướng nghiên cứu dé xuất của luận án về mở rộng dãy tốc độ PMSM

Trong điều khiển vận tốc PMSM ở vùng mô-men hang sé, việc tăng (hay giảm) tốc độ

PMSM được thực hiện bằng việc tăng (hay giảm) dòng điện trục q của sta-to Tuy nhiên,khi điểm làm việc tiễn vào vùng FW, việc tăng tốc độ PMSM lại được thực hiện băngcác giảm dòng điện trục q và tăng dòng điện trục d sự ngược nhau về quy trình điềukhiến sẽ dẫn tới việc sử dụng chung bộ điều chỉnh PI làm tăng sự nhấp nhô dòng điện

và mô-men điện từ trong động cơ Điều này kéo giảm chất lượng điều khiển động cơtrong vùng FW hoạt khi có sự thay đổi tốc độ giữa hai vùng điều khiến với nhau

Dé giảm thiểu các tác động không mong muốn này, các phương pháp điều khiển mớiđược dé xuất dé thứ nhất là giảm bớt sự xung đột điều khiển khi chuyên từ vùng mô-men hằng số sang vùng công suất hăng số thông qua các phương pháp chuyên vùngmềm dựa trên Fuzzy [12][53], phương pháp điều khiến một vòng hồi tiếp dòng điện

[54][55] và thứ hai là giảm bớt sự vi phạm điện ap gây ra bởi các bộ ước lượng dòng

điện bằng cách sử dụng các bảng tra dòng điện từ mô-men điện từ và véc-tơ từ thông

[56][57].

20

Dé nâng cao hiệu quả hoạt động của động co PMSM so với các phương pháp điều khiển

đã có, luận án hướng đến giải pháp xây dựng thuật toán điều khiển mới có khả năng loại

bỏ sự chuyên vùng khi tốc độ động cơ vượt quá hay giảm xuống dưới tốc độ định mức.Khi loại bỏ triệt dé van đề chuyền vùng thì hiệu quả điều khiển sẽ tăng lên khi không có

sự xáo trộn gitra các bộ điều khiến

2.3 Điều khiển tốc độ không cảm biến cho động cơ PMSM

dụng do mật độ năng lượng cao và hiệu quả cao Xu hướng giảm giá nam châm vĩnh

cửu đã nâng cao phạm vi ứng dụng cho loại động cơ này Các phương pháp điều khiểnhiệu suất cao thường yêu cầu cảm biến cơ học gắn vào trục rô-to của động cơ để xácđịnh ảnh chính xác vi trí rô-to Việc gắn thêm một cảm biến cơ học vào trục rô-to làmgia tăng thêm chi phí lắp đặt, tăng không gian lắp đặt cần thiết cũng như như tăng chi

phí bảo trì bảo dưỡng cho chúng Đây là một trở ngại không nhỏ trong việc ưu tiên sử

dụng các hệ thống truyền động động cơ PMSM trong các ứng dụng công nghiệp và dân

dụng.

Sự phát triển trong lĩnh vực điện tử công suất đã giúp cho các cảm biến đo lường tínhiệu điện ngày càng chính xác và tốc độ cũng được cải thiện Các thuật toán ước lượng

vị trí và tốc độ rô-to sẽ ước lượng thông sỐ vi tri góc rô-to dựa trên các thông số được

đo lượng như dòng điện chạy vào cuộn dây to và điện áp đặt vào các cuộn day

sta-to của động co PMSM Phương pháp điều khiển này được gọi là phương pháp điều khiếnkhông cảm biến tốc độ và vị trí, hoặc đơn giản hơn là điều khiển không cảm biến, cónghĩa là không có cảm biến vật lý cho tốc độ và vị trí của r6-to

Có nhiều phương pháp điều khiển không cảm biến được áp dụng rộng rãi trong điềukhiển tốc độ động cơ PMSM được dé xuất trong những năm gần đây Dựa vào phương

pháp điêu khiên, các nghiên cứu về điêu khiên động cơ không cảm biên được phân thành

21