Điều khiển động cơ BLDC bằng phương pháp giả vector PVC

Mô hình điều khiển theo phương pháp PVC loại bỏ hiện tượng chuyển mạch dòng điện tức thời, giúp giảm sự đập mạch momen thườngthấy ở động cơ BLDC.. Hệ điều khiển động cơ BLDC theo phương

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

Vector Control - PVC) để động cơ BLDC

Hình 1 Mô hình điều khiển theo phương pháp PVC

loại bỏ hiện tượng chuyển mạch dòng điện tức thời, giúp giảm sự đập mạch momen thườngthấy ở động cơ BLDC Thêm vào đó là khả năng điều khiển giảm từ thông, giúp mở rộngvùng điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động BLDC

yêu cầu dải điều chỉnh tốc độ rộng (vượt quá tốc độ cơ bản)

thuật toán qua mô phỏng; 3.Thử nghiệm thuật toán trên mạch thực

MỤC LỤCNỘI DUNG

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Ta tiến hành mô phỏng và làm thực nghiệm với thuật toán “Điều khiển giả vector” (PseudoVector Control - PVC) để truyền động cho động cơ BLDC Phương pháp này được đề xuất bởiPhó 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

1200 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 nguồnđiện một chiều và có hệ thống chuyển mạch điện tử thay thế cho vành góp và chổi than như ởđộng cơ một chiều thông thường Động cơ tích hợp thiết bị đo để xác định vị trí của rotor (hay vịtrí 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 cùngkích thước, ít khi phải bảo trì và cũng ít gây tiếng ồn hơn so với các loại động cơ một chiều cóchổi than

Hình 3 Dạng sức phản điện động và dòng điện của động cơ BLDC

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

dòng điện đặt các pha sẽ có dạng hình chữ nhật Tuy nhiên, dòng điện thực tế không có dạng chữnhật lý tưởng Tại các thời điểm chuyển mạch dòng điện, sự giảm dòng điện luôn chậm hơn sựtăng 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

Ia Ic

Hình 5 Dạng dòng điện và mômen khi điều khiển theo phương pháp truyền thống

Chuyển mạch dòng điện

Nhấp nhô mômen

Việc giảm nhấp nhô mômen do chuyển mạch dòng điện, hay san bằng đặc tính mômen đầu racủa BLDC là một vấn đề quan trọng Vì vậy, nghiên cứu tập trung chủ yếu vào vấn đề này Saukhi 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

Tư tưởng của phương pháp là xây dựng một cách ước lượng mới cho các dòng điện đặt bapha, loại bỏ hiện tượng chuyển mạch dòng điện tức thời, giúp giảm sự đập mạch momen thườngthấy ở động cơ BLDC Thêm vào đó là khả năng điều khiển giảm từ thông, giúp mở rộng vùng

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 Thôngtin về dòng điện được tính toán dựa vào đầy đủ tính chất của động cơ bao gồm: yêu cầu (T*), đặc

này có lẽ sẽ tốt hơn cách ước lượng trước đây

a) Phương pháp PVC

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 vớiphương pháp FOC Phương pháp PVC chuyển lượng đặt dòng điện từ dqabc, rồi điều khiểndòng 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 id*; iq* qua phép biến đổi Park códạng một chiều nên dễ điều khiển Trong khi động cơ BLDC có sức phản điện động hình thang,

bắt buộc phải quy đổi trở lại các giá trị dòng điện pha để điều khiển

Hình 9 Khối ước lượng mới cho dòng điện đặt ba pha

pháp truyền thống mà sẽ ước lượng dựa vào biểu thức:

một phương trình (2) mà phải tìm 3 ẩn số nên ta sẽ làm đơn giản phương trình này bằng cáchchuyển sang hệ tọa độ d-q Khi đó, biểu thức tính mômen sẽ có dạng:

Lúc này, nhiệm vụ của ta là xác định id*; iq* dựa vào yêu cầu về momen đặt T*, tốc độ động

biến đổi Park như sau:

Như vậy, để thực hiện thuật toán PVC, có hai nhiệm vụ rất quan trọng cần thực hiện:

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

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

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

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.4 0.45 0.5

− Khi điều khiển theo phương pháp PVC, dòng điện có dạng gần giống hình sin, không cònhiện 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 đãđược giảm đi đáng kể, chỉ tồn tại các nhấp nhô nhỏ do khâu phát xung PWM Nhờ việcnày động cơ họat động ổn định hơn và bớt tiếng ồn

Sau khi tiến hành kiểm nghiệm bằng mô phỏng, thuật toán PVC đã giúp giảm nhấp nhômômen do chuyển mạch dòng điện Ta tiến hành áp dụng thuật toán trên động cơ thực để kiểmchứng hiệu quả làm việc của động cơ, cũng như xem sau khi giảm nhấp nhô mômen, động cơ cóhoạt động tốt và bớt tiếng ồn không

- I p 3

- I p 4

G N D 5

F I L T E RV io u t 67

H I N 2

L I N 3

C O M

4 L OV S 56

H OV B 78

H I N 2

L I N 3

C O M 4

L O 5

V S 6

H OV B 78

H I N 2

L I N 3

C O M 4

L O 5

V S 6

H OV B 78

R 3 3 6 8 R / 2 W

U 7

A C S 7 1 2

+ I p 1 + I p 2

- I p 3

- I p 4

G N D 5

F I L T E RV io u t 67

c) Các mạch đo:

Để thực hiện được phương pháp điều khiển PVC, chúng ta cần thông tin về sức phản điệnđộng của động cơ trong quá trình động cơ đang làm việc Do đó, ta tiến hành đo offline giá trị sứcphản điện động này tại một tốc độ cố định rồi nội suy ra các giá trị tương ứng ở các tốc độ khác

Ta có mối quan hệ giữa các sức phản điện động theo tốc độ như sau:

Để thực hiện mạch vòng điều chỉnh dòng điện, đáp ứng tốt mômen tải ta cần thông tin về dòngđiện thực của động cơ Có nhiều phương pháp để đo được dòng điện này, trong hệ thống nàychúng 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:

Hình 14 Mô hình thực nghiệm

Hình 15 Mạch điều khiển và động cơ BLDC

thì hệ truyền động vẫn đáp ứng tốt

0 100 200 300 400 500 600

Hình 16 Kết quả tốc độ gửi từ mạch lên

cho ba pha đưa vào bộ điều khiển dòng

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

Hình 17 Kết quả ước lượng dòng điện đặt

− Tiến hành ước lượng được góc theta một cách liên tục theo biểu thức Trong đó, ω là tốc

độ tại mỗi thời điểm, còn t là chu kì trích mẫu Ngoài ra, giá trị θo sẽ được cập nhật liên tục

6 lần trong một chu kì (tại các thời điểm chuyển mạch)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Hình 18 Kết quả ước lượng góc theta

Phương pháp này đề cập tới 2 dạng điện từ trong dây cuốn của động cơ BLDC.Một là sứcphản điện động e (BEMF) được cảm ứng bởi từ trường quét do nam châm vĩnh cửu Hai là sức

biến thiên điện động

di L dt

(TEMF) được cảm ứng bởi sự biến thiên dòng điện stator trong dâycuốn 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 chốnglại BEMF Điều này tương đương với phương pháp giảm từ thông cho hệ truyền động động cơmột chiều

Tuy nhiên, tại vùng trên tốc độ cơ bản, vì công suất của động cơ BLDC là một giá trị giới hạn,mômen sẽ phải giảm tỷ lệ với tốc độ theo đường cong giới hạn công suất bd như trên Hình 19.Nhưng thực tế, hệ truyền động truyền thống chỉ làm việc trên đường cong bef, mà không thể làmviệc trên đường cong giới hạn công suất do sự bão hòa điện áp

Hình 19 Điểm làm việc của động cơ BLDC

Phương trình điện áp cho từng pha của động cơ:

phản điện động giảm xuống Trong khi đó, sức phản điện động tỷ lệ với tốc độ động cơ, nên tốc

(điểm f trên hình 19) Do điểm làm việc e, f nằm dưới đường cong giới hạn công suất, tổng công

suất của động cơ không thể được sử dụng tối đa

Để mở rộng vùng điều chỉnh tốc độ của hệ truyền động, người ta thường sử dụng biện phápgiảm từ thông Với động cơ một chiều có thể dễ dàng điều khiển động cơ này trên tốc độ cơ bảnbằng cách giảm từ thông trong khi giữ điện áp cấp vào ở một giá trị không đổi Với hệ điều khiển

Chính vị vậy, thuật toán PVC đề xuất ý tưởng giảm từ thông cho động cơ BLDC bằng cách

tạo ra một dòng điện sinh từ thông id âm (id < 0) giúp mở rộng vùng làm việc

Hình 20 Mô hình thành phần tính toán dòng điện đặt cho ba pha

Dựa theo đặc tính làm việc, ta cũng chia làm hai vùng tốc độ để điều khiển như các động cơthông 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

đổi sẽ dẫn đến tình trạng bão hòa Vì vậy, ta cần giảm từ thông để tăng tốc độ Tức là phải

trên giản đồ Hình 22

Do đường cong giới hạn công suất có dạng giống hàm cos, nên ta sử dụng công thức ước

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

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 2000

− Không thể điều khiển động cơ BLDC ở vùng tốc độ cao theo phương pháp truyền thống.Các giá trị dòng điện, mômen và tốc độ đều không bám được theo lượng đặt.

được theo lượng đặt bởi lúc này chúng ta đã điều khiển giảm từ thông

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

-0.02 -0.01 0 0.01 0.02

Hình 24 Giảm từ thông khi điều khiển tại vùng tốc độ cao

khi điều khiển tại vùng tốc độ thấp Chứng tỏ việc điều khiển được từ thông động cơ

T ime (s) 0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336 0.338 0.34

a

Hình 26 Kết quả đặc tính dòng điện pha a và momen

cho giá trị dòng điện và mômen không bám theo lượng đặt mong muốn

bỏ nhấp nhô mômen do chuyển mạch dòng điện Điều này sẽ giúp cho động cơ họatđộng ổn định và bớt tiếng ồn

đó rất khó điều khiển từ thông động cơ BLDC Việc điều khiển động cơ BLDC trướcđây đều bỏ qua việc điều khiển từ thông của nó Nhưng với phương pháp PVC, ý tưởng

và từ đó mở rộng dải điều chỉnh tốc độ

tối ưu hơn cho dòng điện Id* âm tại vùng tốc độ cao

BLDC ứng dụng thuật toán PVC tại vùng tốc độ thấp

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)

TÀI LIỆU THAM KHẢO[1] CaoMinh Ta, “Novel wide range speed control of permanent magnet brushless motor drives”,

IEEE Trans Power Electron, vol 10, pp 539 - 546, 1995.

[1] C C Chan, J Z Jiang, W Xia and K T Chau, “Novel wide range speed control of

permanent magnet brushless motor drives”, IEEE Trans Power Electron, vol 10, pp 539 - 546,

1995

Phase Advance Approach to Expand the Speed Range of Brushless DC Motor