Điều khiển động cơ BLDC bằng phương pháp giả vector PVC

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN - Tên đề tài: Điều khiển động cơ BLDC bằng phương pháp giả vector PVC. - Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Tạ Cao Minh. - Nhóm sinh viên: 1. Cao Bá Đại, lớp TĐH2, SHSV: 20060693 2. Nguyễn Bảo Trung, lớp TĐH1, SHSV: 20063345 3. Đoàn Minh Hùng, lớp TĐH1, SHSV: 20061445 4. Đỗ Trung Kiên, lớp TĐH2, SHSV: 20061698 - Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu thuật toán “Điều khiển giả vector” (Pseudo Vector Control - PVC) để động cơ BLDC. Hình 1. Mô hình điều khiển theo phương pháp PVC - Đặc điểm kỹ thuật chủ yếu: Xây dựng một cách ước lượng mới cho các dòng điện đặt ba pha, loại bỏ hiện tượng chuyển mạch dòng điện tức thời, giúp giảm sự đập mạch momen thường thấy ở động cơ BLDC. Thêm vào đó là khả năng điều khiển giảm từ thông, giúp mở rộng vùng điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động BLDC. - Ứng dụng: Những hệ thống đòi hỏi chất lượng mômen cao như ô tô điện, máy công cụ, hoặc yêu cầu dải điều chỉnh tốc độ rộng (vượt quá tốc độ cơ bản). - Cụ thể ở đề tài này là áp dụng điều khiển động cơ truyền động cho ô tô điện. - Nhiệm vụ nghiên cứu: 1. Nghiên cứu thuật toán điều khiển giả vector PVC; 2. Kiểm nghiệm thuật toán qua mô phỏng; 3.Thử nghiệm thuật toán trên mạch thực. MỤC LỤC NỘI DUNG 1. Tóm tắt 2. Cơ sở lý thuyết 3. Phương pháp PVC 4. Giảm nhấp nhô mômen 5. Mở rộng vùng làm việc 6. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 bởi Phó Giáo sư - Tiến sĩ Tạ Cao Minh. Thuật toán 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 hợp khi áp dụng cho hệ thống truyền động xe ô tô điện do cấu trúc nhỏ gọn cũng như các ưu điểm trên. 2. Cơ sở lý thuyết: 2.1. Giới thiệu về động cơ BLDC: 120 0 ω t 0 e, i E I Hình 2. Cấu tạo động cơ BLDC Động cơ BLDC (Brushless DC motor - động cơ một chiều không chổi than) là động cơ đồng bộ với nam châm vĩnh cửu trên rotor và các cuộn dây trên stato. Động cơ BLDC chạy bằng nguồn điện một chiều và có hệ thống chuyển mạch điện tử thay thế cho vành góp và chổi than như ở động cơ một chiều thông thường. Động cơ tích hợp thiết bị đo để xác định vị trí của rotor (hay vị trí cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử. Một điểm đáng chú ý là động cơ BLDC có sức phản điện động hình thang (Hình 3). Vì vậy, động cơ BLDC có nhiều ưu điểm như: 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. Hình 3. Dạng sức phản điện động và dòng điện của động cơ BLDC 2.2. Điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp truyền thống: Hình 4. Hệ điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp truyền thống Điểm cơ bản của phương pháp truyền thống là các dòng điện đặt ba pha có giá trị bằng dòng điện đặt tổng i m * và có các góc pha xác định từ cảm biến Hall (6 lần/chu kỳ). Điều này khiến cho dòng điện đặt các pha sẽ có dạng hình chữ nhật. Tuy nhiên, dòng điện thực tế không có dạng chữ nhật lý tưởng. Tại các thời điểm chuyển mạch dòng điện, sự giảm dòng điện luôn chậm hơn sự tăng dòng điện, nên tổng dòng điện ba pha khác 0. Như vậy, xuất hiện thành phần xung dòng điện (dòng “peak”) gây nhấp nhô mômen tại thời điểm chuyển mạch. 0.312 0.314 0.316 0.318 0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 Current 0.312 0.314 0.316 0.318 0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 Time (s) Torque Ia Ib Ic Hình 5. Dạng dòng điện và mômen khi điều khiển theo phương pháp truyền thống 3. Phương pháp PVC: Chuyển mạch dòng điện Nhấp nhô mômen Việc giảm nhấp nhô mômen do chuyển mạch dòng điện, hay san bằng đặc tính mômen đầu ra của BLDC là một vấn đề quan trọng. Vì vậy, nghiên cứu tập trung chủ yếu vào vấn đề này. Sau khi nghiên cứu, mô phỏng và thực nghiệm thuật toán PVC vào điều khiển động cơ BLDC, ta thấy đã khắc phục được nhược điểm trên. 3.1. Ý tưởng của phương pháp: Tư tưởng của phương pháp là xây dựng một cách ước lượng mới cho các dòng điện đặt ba pha, loại bỏ hiện tượng chuyển mạch dòng điện tức thời, giúp giảm sự đập mạch momen thường thấy ở động cơ BLDC. Thêm vào đó là khả năng điều khiển giảm từ thông, giúp mở rộng vùng điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động BLDC bằng cách tạo ra dòng điện sinh từ thông i d âm (i d < 0). Hình 7. Mô hình điều khiển theo phương pháp PVC Ta thấy rõ mô hình điều khiển theo phương pháp PVC có khối ước lượng dòng điện đặt cho ba pha (được khoanh nét đứt) khác hẳn so với mô hình điều khiển truyền thống trên Hình 4. Thông tin về dòng điện được tính toán dựa vào đầy đủ tính chất của động cơ bao gồm: yêu cầu (T*), đặc trưng của động cơ (e a ; e b ; e c ) và cả trạng thái hoạt động của động cơ (ω m ). Cách ước lượng mới này có lẽ sẽ tốt hơn cách ước lượng trước đây. a) Phương pháp PVC b) Phương pháp điều khiển vector Hình 8. Khối điều khiển dòng điện Cần chú ý rằng khối điều khiển dòng điện của phương pháp PVC có sự khác biệt so với phương pháp FOC. Phương pháp PVC chuyển lượng đặt dòng điện từ dqabc, rồi điều khiển dòng ba pha. Còn phương pháp FOC điều khiển dòng dq, rồi chuyển lượng đặt điện áp từ dqabc để điều khiển PWM. Như vậy, trong phương pháp PVC, các đại lượng được tính toán trong hệ tọa độ dq nhưng điều khiển trong hệ tọa độ ba pha abc nên nó mới có tên gọi là điều khiển “giả” vector. Động cơ có sức phản điện động hình sin, các dòng điện i d *; i q * qua phép biến đổi Park có dạng một chiều nên dễ điều khiển. Trong khi động cơ BLDC có sức phản điện động hình thang, qua phép biến đổi Park, các dòng điện i d *; i q * có dạng bậc 6, không thể điều khiển được. Vì thế, ta bắt buộc phải quy đổi trở lại các giá trị dòng điện pha để điều khiển. 3.2. Cách ước lượng mới: Hình 9. Khối ước lượng mới cho dòng điện đặt ba pha Ta sẽ không ước lượng dòng điện đặt cho ba pha theo dòng điện i m * và góc θ như phương pháp truyền thống mà sẽ ước lượng dựa vào biểu thức: Coi các thành phần T*; e a ; e b ; e c đã biết trước và từ đó đưa ra i a *; i b *; i c *. Tuy nhiên, ta chỉ với một phương trình (2) mà phải tìm 3 ẩn số nên ta sẽ làm đơn giản phương trình này bằng cách chuyển sang hệ tọa độ d-q. Khi đó, biểu thức tính mômen sẽ có dạng: Như vậy, các dòng điện đặt i a *; i b *; i c * sẽ được tính toán thông qua các giá trị dòng điện đặt i d *; i q * bằng công thức chuyển đổi sau: Lúc này, nhiệm vụ của ta là xác định i d *; i q * dựa vào yêu cầu về momen đặt T*, tốc độ động cơ ω m và sức phản điện động e d ; e q theo biểu thức (3). Do động cơ BLDC là động cơ đồng bộ nên i d * = 0. Thay vào biểu thức (3) ta có: Từ các công thức trên, ta thấy cần phải có các giá trị sức phản điện động e d và e q . Chúng sẽ được xác định dựa vào sức phản điện động các pha e a , e b , e c và góc điện θ e của động cơ theo phép biến đổi Park như sau: Như vậy, để thực hiện thuật toán PVC, có hai nhiệm vụ rất quan trọng cần thực hiện: • Đo offline các giá trị sức phản điện động các pha e a , e b và e c • Ước lượng góc điện θ e một cách liên tục. 4. Giảm nhấp nhô mômen: 4.1. Kiểm chứng bằng mô phỏng: Ta sẽ kiểm chứng việc giảm nhấp nhô mômen khi điều khiển động cơ BLDC tại vùng tốc độ thấp. Mô phỏng thực hiện với trường hợp: tốc độ đặt * m ω = 1000 vòng/phút (dưới tốc độ cơ bản) và mômen tải sau 0,3s bằng với mômen định mức M đm = 0,343 Nm. a) Thông số động cơ do nhà sản xuất cung cấp: • Điện áp nguồn: V d = 36 VDC • Điện trở pha: R s = 0,8 Ω • Điện cảm pha: L s = 2,14 mH • Hệ số sức phản điện động: K e = 0,1719 V/rad/s • Dòng điện định mức: I đm = 2 A • Mômen định mức: M đm = 0,343 Nm • Số đôi cực p p = 4 • Đường kính: d = 93 mm • Đường kính rotor d r = 8 mm • Hệ số mômen: K m = 0,1715 Nm/A b) Mô hình mô phỏng: Hình 10. Mô hình mô phỏng phương pháp điều khiển PVC Hình 11. Khối ước lượng dòng điện đặt cho ba pha theo thuật toán PVC c) Kết quả mô phỏng: a. Phương pháp truyền thống b. Phương pháp PVC Hình 12. Kết quả đặc tính dòng điện pha a, momen và quỹ đạo từ thông d) Nhận xét: − Khi điều khiển theo phương pháp truyền thống, dòng điện các pha có dạng hình chữ nhật không lý tưởng, gây nhấp nhô mômen lớn tại các thời điểm chuyển mạch. Ngoài ra, cũng do sự chuyển mạch không lý tưởng của dòng điện (6 lần trong 1 chu kỳ) nên quỹ đạo từ thông của động cơ BLDC có 6 “gai” (“bậc”) trong 1 chu kì. 0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336 0.338 0.34 -3 -2 -1 0 1 2 3 S tato r current Is a Time (s) 0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336 0.338 0.34 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 Electromagnetic torque Time (s) 0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336 0.338 0.34 -3 -2 -1 0 1 2 3 Stator current Is a Time (s) - 0 . 0 3 - 0 . 0 2 - 0 . 0 1 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 - 0 . 0 3 - 0 . 0 2 - 0 . 0 1 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 F l u x t r a j e c t o r y f l u x b e t a ( W b ) f l u x a l p h a ( W b ) 0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336 0.338 0.34 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 Electromagnetic torque Time (s) - 0 . 0 3 - 0 . 0 2 - 0 . 0 1 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 - 0 . 0 3 - 0 . 0 2 - 0 . 0 1 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 F l u x t r a j e c t o r y f l u x a l p h a ( W b ) f l u x b e t a ( W b ) [...]... của động cơ không thể được sử dụng tối đa 5.2 Thuật toán PVC giúp mở rộng vùng làm việc: Để mở rộng vùng điều chỉnh tốc độ của hệ truyền động, người ta thường sử dụng biện pháp giảm từ thông Với động cơ một chiều có thể dễ dàng điều khiển động cơ này trên tốc độ cơ bản bằng cách giảm từ thông trong khi giữ điện áp cấp vào ở một giá trị không đổi Với hệ điều khiển vector cho động cơ không đồng bộ, ta giảm... việc của động cơ BLDC Phương trình điện áp cho từng pha của động cơ: Vì điện áp cấp vào bị giới hạn, nếu dòng điện động cơ lớn đủ để thỏa mãn mômen tải M 1, sức phản điện động giảm xuống Trong khi đó, sức phản điện động tỷ lệ với tốc độ động cơ, nên tốc độ động cơ chỉ đạt ω2 < ω1) như điểm e trên Hình 19 Tương tự, nếu chúng ta muốn động cơ làm việc ở vùng tốc độ cao hơn ω 1, mômen đầu ra của động cơ không... thực của động cơ Có nhiều phương pháp để đo được dòng điện này, trong hệ thống này chúng ta sử dụng 2 IC đo dòng ACS712 để đo dòng điện thực của pha a và pha c của động cơ Dòng điện pha b có thể suy ra dễ dàng từ công thức: d) Mô hình thực nghiệm: Hình 14 Mô hình thực nghiệm Hình 15 Mạch điều khiển và động cơ BLDC − e) Kết quả thu được: Đã tiến hành điều khiển được động cơ theo phương pháp điều khiển. .. từ thông tại các thời điểm chuyển mạch 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 phương pháp PVC, ý tưởng giảm từ thông bằng cách tạo ra dòng điện I d* âm, đã giúp ta điều khiển được từ thông, và từ đó mở rộng dải điều chỉnh tốc độ  Nhược điểm: − Tuy nhiên, thuật toán vẫn còn một vấn đề... 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) Hình 21 Đặc tính làm việc của động cơ  Dưới tốc độ cơ bản: Ta sẽ điều khiển giữ từ thông không đổi bằng cách giữ cho dòng điện sinh từ thông id* = 0 (do BLDC cũng là một loại động cơ đồng bộ) Khi đó, ta sẽ ước lượng được dòng điện sinh mômen iq* dựa vào biểu thức (3) Ta có:  Trên tốc độ cơ. ..− Khi điều khiển theo phương pháp PVC, dòng điện có dạng gần giống hình sin, không còn hiện tượng chuyển mạch dòng điện Vì 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 Nhờ việc này động cơ họat động ổn định hơn và bớt tiếng... đề còn tồn tại: − Chưa giải quyết được bộ điều khiển dòng điện khi đưa giá trị ước lượng mới cho dòng điện f) đặt ba pha 5 Mở rộng vùng làm việc: 5.1 Vấn đề còn tồn tại: Một nhược điểm nữa của hệ điều khiển truyền thống là động cơ BLDC chỉ làm việc ở vùng dưới tốc độ cơ bản Trong năm 1995, C C Chan cho ra “nguyên lý dịch pha” để giải quyết vấn đề này cho động cơ BLDC [2] Phương pháp này đề cập tới 2... Khi điều khiển theo phương pháp PVC, các giá trị dòng điện, mômen và tốc độ đều bám được theo lượng đặt bởi lúc này chúng ta đã điều khiển giảm từ thông Flux trajectory 0.03 flux beta (Wb) 0.02 0.01 Duoi co ban Tren co ban 0 -0.01 -0.02 -0.03 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 flux alpha (W b) Hình 24 Giảm từ thông khi điều khiển tại vùng tốc độ cao Như ta thấy, khi điều khiển tại vùng trên tốc độ cơ. .. của động cơ BLDC. Một là sức phản điện động e (BEMF) được cảm ứng bởi từ trường quét do nam châm vĩnh cửu Hai là sức L biến thiên điện động di dt (TEMF) được cảm ứng bởi sự biến thiên dòng điện stator trong dây cuốn Dưới tốc độ cơ bản, động cơ BLDC được điều khiển như truyền thống Khi làm việc trên tốc độ cơ bản, dòng điện pha sẽ khống chế sức phản điện động Tức là TEMF được sử dụng để chống lại BEMF Điều. .. chứng bằng mô phỏng: * ωm 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 * ωm với tốc độ đặt là = 2000 vòng/phút a) Vùng trên tốc độ cơ bản ωđặt = 1800 (vòng/phút) > cơ bản=