BÁO cáo NGHIÊN cứu KHOA học điều khiển động cơ BLDC bằng phương pháp giả vector PVC

Điều khiển động cơ BLDC bằng phương pháp giả vector PVC 1. Tóm tắt: Ta tiến hành mô phỏng và làm thực nghiệm với thuật toán “Điều khiển giả vector” (Pseudo Vector Control PVC) để truyền động cho động cơ BLDC. Phương pháp này được đề xuất sau nghiên cứu của Phó Giáo sư Tiến sĩ Tạ Cao Minh và Giáo sư Shuji Endo tại đại học Gunma (Nhật Bản). Phát minh này sẽ giúp giảm sự đập mạch momen thường thấy ở động cơ BLDC, mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và giúp động cơ hoạt động chính xác, êm ái, giảm hẳn tiếng ồn. Thuật toán PVC rất phù hơp khi áp dụng cho hệ thống trợ lái của xe ô tô do cấu trúc nhỏ gọn cũng như các ưu điểm trên, thay thế cho hệ thống cũ sử dụng cơ cấu thủy lực. 2. Cơ sở lý thuyết: 2.1. Giới thiệu về động cơ BLDC: Động cơ BLDC có sức phản điện động hình thang và dòng điện có dạng hình chữ nhật như trong hình 1. Động cơ BLDC có nhiều ưu điểm: hiệu suất cao hơn hẳn so với các động cơ khác có cùng kích thước, ít khi phải bảo trì và cũng ít gây tiếng ồn hơn so với các loại động cơ một chiều có chổi than. Tuy nhiên, do dạng của sức phản điện động và dòng điện, động cơ BLDC có hai nhược điểm chính là: nhấp nhô mômen và khó điều khiển ở vùng tốc độ cao. Tuy nhiên, sau khi nghiên cứu, mô phỏng và thực nghiệm thuật toán PVC vào điều khiển động cơ BLDC, ta thấy đã khắc phục được cả hai nhược điểm trên. e, i E I t0 1200 Hình 1. Dạng sức phản điện động và dòng điện của động cơ BLDC 2.2. Điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp truyền thống: Để điều khiển động cơ BLDC, phải sử dụng phương pháp điều khiển dòng điện pha truyền thống như hình 2 với bộ điều khiển dòng điện Ri và tốc độ Rω. Với hệ thống truyền động này, BLDC có thể làm việc với mômen cơ bản và tốc độ dưới tốc độ cơ bản.

Điều khiển động cơ BLDC bằng phương pháp giả vector PVC

1 Tóm tắt:

Ta tiến hành mô phỏng và làm thực nghiệm với thuật toán “Điều khiển giả vector” (Pseudo Vector Control - PVC) để truyền động cho động cơ BLDC Phương pháp này được đề xuất sau nghiên cứu của Phó Giáo sư - Tiến sĩ Tạ Cao Minh và Giáo sư Shuji Endo tại đại học Gunma (Nhật Bản) Phát minh này sẽ giúp giảm sự đập mạch momen thường thấy ở động cơ BLDC, mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và giúp động cơ hoạt động chính xác, êm ái, giảm hẳn tiếng ồn Thuật toán PVC rất phù hơp khi áp dụng cho hệ thống trợ lái của xe ô tô do cấu trúc nhỏ gọn cũng như các ưu điểm trên, thay thế cho hệ thống cũ sử dụng cơ cấu thủy lực

2 Cơ sở lý thuyết:

Động cơ BLDC có sức phản điện động hình thang và dòng điện có dạng hình chữ nhật như trong hình 1 Động cơ BLDC có nhiều ưu điểm: hiệu suất cao hơn hẳn so với các động cơ khác

có cùng kích thước, ít khi phải bảo trì và cũng ít gây tiếng ồn hơn so với các loại động cơ một chiều có chổi than Tuy nhiên, do dạng của sức phản điện động và dòng điện, động cơ BLDC có hai nhược điểm chính là: nhấp nhô mômen và khó điều khiển ở vùng tốc độ cao Tuy nhiên, sau khi nghiên cứu, mô phỏng và thực nghiệm thuật toán PVC vào điều khiển động cơ BLDC, ta thấy

đã khắc phục được cả hai nhược điểm trên

0

e, i E I

Hình 1 Dạng sức phản điện động và dòng điện của động cơ BLDC

Để điều khiển động cơ BLDC, phải sử dụng phương pháp điều khiển dòng điện pha truyền

BLDC có thể làm việc với mômen cơ bản và tốc độ dưới tốc độ cơ bản

Hình 2 Hệ điều khiển động cơ BLDC truyền thống với mạch vòng dòng điện và tốc độ Trong nhiều ứng dụng như là xe điện, máy công cụ,… yêu cầu dải điều chỉnh tốc độ rộng (vượt quá tốc độ cơ bản) Tại vùng trên tốc độ cơ bản, vì công suất của động cơ BLDC là một giá trị giới hạn, mômen sẽ giảm tỷ lệ với tốc độ Hình 3 chỉ ra dạng đặc tính làm việc của động cơ, trong đó đoạn bd được gọi là đường cong giới hạn công suất, trên vùng này tốc độ đạt cực đại với mômen tải cho sẵn Hệ truyền động truyền thống không thể làm việc trên đường cong giới hạn công suất do sự bão hòa điện áp Đường cong phía dưới bef mô tả trên hình 3 là quỹ tích các điểm làm việc của hệ thống điều khiển truyền thống mà không có bất cứ công nghệ điều khiển đặc biệt

rated

T

0

T

m

c T

m1

d

m2

e f

T 2 1

Hình 3 Điểm làm việc của động cơ BLDC

Thuật toán PWM được sử dụng để điều khiển điện áp cấp vào cho động cơ BLDC Làm việc

điện áp cấp vào đạt giá trị định mức Đây là giá trị điện áp cấp vào cực đại cho động cơ BLDC

Công thức điện áp cho từng pha của động cơ:

u=Ri+L di

dt +e(1)

Vì điện áp cấp vào bị giới hạn, nếu dòng điện động cơ lớn đủ để thỏa mãn mômen tải (ví dụ T2), sức phản điện động không thể tăng tới giá trị cao hơn Sức phản điện động tỷ lệ với tốc độ

dưới đường cong giới hạn công suất, tổng công suất của động cơ không thể tận dụng

3 Phương pháp PVC:

Như đã nói ở trên, do dạng dòng điện hình thang nên động cơ BLDC có nhấp nhô mômen Ý tưởng của phương pháp là xây dựng một cách ước lượng, tính toán mới cho các dòng điện pha (dòng điện sẽ có hình sin) và từ đó điều khiển giữ cho các dòng điện pha này bám được các giá trị mong muốn Nhờ đó, momen được đáp ứng và giảm hẳn nhấp nhô mômen

Mặt khác, ta thấy để mở rộng vùng điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động, các động cơ thường sử dụng biện pháp giảm từ thông Ví dụ, động cơ một chiều có thể dễ dàng điều khiển trên tốc độ cơ bản bằng cách giảm từ thông trong khi giữ điện áp cấp vào ở một giá trị không đổi Hay hệ truyền động điều khiển vecto cho động cơ không đồng bộ, giảm từ thông bằng cách giảm

Hệ thống có thể được chia làm hai thành phần riêng biệt Thành phần thứ nhất đảm nhận việc tính toán các dòng điện đặt cho ba pha của động cơ ( thành phần mới ), thành phần thứ hai là hệ thống mạch vòng điều chỉnh dòng điện, đảm nhận việc điều khiển phát xung điều khiển các khóa bán dẫn giúp dòng điện pha bám được giá trị đặt ( thành phần giữ nguyên so với phương pháp truyển thống) Dưới đây là mô hình của hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PVC

Hình 4 Mô hình hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PVC a) Thành phần tính toán dòng điện đặt cho ba pha:

Hình 5 Mô hình thành phần tính toán dòng điện đặt cho ba pha

pháp truyền thống mà sẽ ước lượng dựa vào biểu thức tính mômen của động cơ:

T¿=E a i a¿+ E b i b¿+E c i¿c

phương trình (2) với 3 ẩn số Để giải ta sẽ làm đơn giản phương trình này đi bằng cách chuyển sang hệ tọa độ d-q Khi đó, biểu thức tính mômen sẽ có dạng:

= 32 E d i d¿+E q i q¿

[i¿a

i¿b

i c¿]=[ cos(θ e)

cos(θ e −2 π/3)

cos(θ e +2π /3)

sin(θ e)

sin(θ e −2 π/3)

sin(θ e +2π /3) ].[i d¿

i q¿]

động cơ ω theo biểu thức (3) Dựa theo đặc tính làm việc, ta cũng chia làm hai vùng tốc độ để điều khiển như các động cơ thông thường khác (Tốc độ cơ bản có giá trị bằng tốc độ định mức của động cơ)

 Dưới tốc độ cơ bản: Ta sẽ điều khiển giữ từ thông không đổi bằng cách giữ cho dòng điện

T¿= 32 E q .i q

¿

ω =¿i q¿= 23 T E¿.ω q (4)

 Trên tốc độ cơ bản: Tốc độ động cơ tăng vượt quá tốc độ cơ bản, trong khi mômen không đổi sẽ dẫn đến tình trạng bão hòa Vì vậy, ta cần giảm từ thông để tăng tốc độ Tức là phải

i d¿=−|T¿

K m|sin(arcos(ω cơ bản

ω m ) )=¿−|I m¿|sin(arcos(ω cơ bản

ω m ) )(5)¿

i q¿=

2

3.T¿.ω−E d i d¿

phép biến đổi Park như sau:

e q]=23[cos(θ e)

sin(θ e)

cos(θ e −2π /3)

sin(θ e −2π/3)

cos(θ e +2π/3)

sin(θ e +2π/3) ] [e a

e b

e c]

Như vậy, để thực hiện thuật toán PVC khi điều khiển động cơ BLDC, có hai nhiệm vụ rất

b) Thành phần mạch vòng điều chỉnh dòng điện:

Hình 7 Thành phần mạch vòng điều chỉnh dòng điện Thành phần này giúp điều khiển chuyển mạch cho các khóa bán dẫn đảm bảo các dòng điện pha thực bám được giá trị mong muốn (đã được tính toán từ trước) Sai lệch giữa hai đại lượng sẽ

được đưa tới bộ điều khiển phát xung PWM Nhờ đó các xung điều khiển thích hợp được đưa tới các khóa bán dẫn của mạch nghịch lưu

Phương pháp điều khiển PVC có điểm khác biệt so với phương pháp FOC là các dòng điện

không thể điều khiển theo hệ tọa độ d-q Ta bắt buộc phải quy đổi trở lại các giá trị dòng điện pha

để điều khiển cho nên nó mới có tên gọi là điều khiển “giả” vector

4 Kết quả mô phỏng máy tính:

Cả hai hệ truyền động BLDC trong hình 2 (truyền thống) và hình 4 (PVC) được mô phỏng thử nghiệm bằng Matlab/Simulink Mô phỏng thực hiện với hai trường hợp: tốc độ đặt = 1000

Nm và tốc độ đặt = 1800 vòng/phút (trên tốc độ cơ bản) với mômen tải sau 0,3s là 0,2 Nm (cần giảm tải vì tăng tốc độ vượt quá tốc độ cơ bản) Ngoài ra, chúng ta cũng xem xét đến việc sử dụng thuật toán PVC để điều khiển truyền động cho động cơ BLDC ở những vùng tốc độ cao hơn nữa với tốc độ đặt là = 2000 vòng/phút

a) Thông số động cơ sử dụng để mô phỏng và làm thực nghiệm:

 Đường kính: d = 93 mm

 Hệ số mômen:

K m=M I đ m

đ m = 0,3432 =0,1715 Nm/ A

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Time (s)

Electromagnetic torque

-0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

flux alpha

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

0

200

400

600

800

1000

1200

Time (s)

Rotor speed

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

-6

-4

-2

0

2

4

Time (s)

nt a

Ia ref Ia

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -6

-4 -2 0 2 4 6

Time (s)

nt a

Ia ref Ia

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0

200 400 600 800 1000

Time (s)

speed ref speed

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -0.6

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Time (s)

Electromagnetic torque Electromagnetic torque ref

-0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 -0.03

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02

flux alpha

a Phương pháp HCC b Phương pháp PVC

Hình 8 Kết quả đặc tính dòng điện pha a, momen, tốc độ và quỹ đạo từ thông

a Phương pháp HCC b Phương pháp PVC

Hình 9 Kết quả đặc tính dòng điện pha a, momen, tốc độ và quỹ đạo từ thông

(vòng/phút):

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -8

-6

-4

-2

0 2 4 6

Time (s)

nt a

Ia ref Ia

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (s)

Electromagnetic torque Electromagnetic torque ref

-0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03 Flux trajectory

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Time (s)

speed ref speed

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -8

-6 -4 -2 0 2 4 6

Time (s)

nt a

Ia ref Ia

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 -0.025

-0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Flux trajectory

flux alpha

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Time (s)

speed ref speed

0 0.0.5 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (s)

Electromagnetic torque Electromagnetic torque ref

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Time (s)

Ia ref Ia

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (s)

Electromagnetic torque Electromagnetic torque ref

-500

0

500

1000

1500

2000

Time (s)

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 -0.025

-0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Flux trajectory

flux alpha

Hình 10 Kết quả đặc tính dòng điện pha a, momen, tốc độ và quỹ đạo từ thông e) Nhận xét:

0.4 0.405 0.41 0.415 0.42 0.425 0.43 0.435 0.44 0.445 0.45 0.38

0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 Electromagnetic torque

Time (s)

mạch không lý tưởng của dòng điện (6 lần trong 1 chu kỳ) nên quỹ đạo từ thông của động

cơ BLDC có hình cầu 6 “gai” (“bậc” trong 1 chu kì) Việc ước lượng từ thông tại các

“bậc” đó là rất khó khăn, do đó rất khó điều khiển từ thông động cơ BLDC Việc điều

khiển động cơ BLDC trước đây đều bỏ qua việc điều khiển từ thông của nó Nhưng với

điều khiển được từ thông, và từ đó mở rộng dải điều chỉnh tốc độ

vậy, quỹ đạo từ thông của động cơ BLDC giờ cũng có hình tròn Nhấp nhô momen

(torque ripple) vốn là một điểm yếu của động cơ BLDC đã được giảm đi đáng kể, chỉ tồn

tại các nhấp nhô nhỏ do khâu phát xung PWM (hình 11) Nhờ việc này động cơ cũng sẽ

họat động ổn định hơn và bớt tiếng ồn

a Phương pháp HCC b Phương pháp PVC

Hình 11 Nhấp nhô mômen (torque ripple)

 Tuy nhiên, thuật toán vẫn còn một vấn đề cần khắc phục Đó là do công thức ước lượng

cao hơn, dòng điện stator sẽ bị pick lên như trong hình 10.Điều này cũng khiến cho giá trị

dòng điện và mômen không bám theo lượng đặt mong muốn

5 Kết quả khi triển khai mạch thực:

6 Kết luận:

0.4 0.405 0.41 0.415 0.42 0.425 0.43 0.435 0.44 0.445 0.45

0.36

0.38

0.4

0.42

0.44

0.46

0.48

0.5

0.52

0.54

Nhap nho do

chuyen mach dong dien Nhap nho do PWM