ĐIỀU KHIỂN cực đại MOMENT ĐỘNG cơ ĐỒNG bộ NAM CHÂM CHÌM ỨNG DỤNG CHO ô tô điện

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: “Điều khiển cực đại Momen động đồng nam châm chìm ứng dụng cho ô tô điện” em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Tạ Cao Minh Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Vũng Tàu, ngày 31 tháng 03 năm 2015 Sinh viên thực Phan Công Thành MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC TRONG BẢNG LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 10 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ IPM VÀ ỨNG DỤNG 10 1.1 Khái quát động đồng nam châm vĩnh cửu 10 1.1.1 Cấu tạo động đồng nam châm vĩnh cửu 10 1.1.2 Phân loại động đồng nam châm vĩnh cửu 10 1.2 Nguyên lý hoạt động động đồng nam châm vĩnh cửu 12 1.3 Ưu điểm động đồng nam châm vĩnh cửu 12 CHƯƠNG 14 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ IPM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN 14 2.1 Mô hình toán học động đồng 14 2.1.1 Mô hình toán học tọa độ abc 14 2.1.2 Biểu diễn vector không gian cho đại lượng ba pha 15 2.1.3 Các phép chuyển đổi hệ tọa độ 17 2.1.4 Mô hình toán học động đồng nam châm vĩnh cửu hệ tọa độ d-q 21 2.2 Một số phương pháp điều khiển động đồng nam châm vĩnh cửu 24 2.2.1 Điều khiển trực tiếp momen DTC 25 2.2.2 Điều khiển vector tựa từ thông 26 CHƯƠNG 29 THUẬT TOÁN CỰC ĐẠI MOMENT CHO ĐỘNG CƠ IPM 29 3.1 Điều khiển cực đại momen với giá trị dòng điện 29 3.1.1 Khái niệm cực đại momen với giá trị dòng điện (MTPA) 29 3.1.2 Các phương pháp thực momen cực đại (MTPA) 30 3.2 Thuật toán điều khiển cực đại momen 35 3.2.1 Các giới hạn làm việc động 35 3.2.2 Giá trị cực đại momen điện từ động với dòng điện 37 3.2.3 Giới hạn làm việc động đồng IPM 39 3.2.4 Thuật toán điều khiển cực đại momen cho động đồng IPM 41 3.3 Cấu trúc điều khiển momen cực đại 43 3.3.1 Bộ nghịch lưu 44 3.3.2 Bộ giới hạn điện áp 44 3.3.4 Bộ điều khiển 45 3.4 Ảnh hưởng tham số động thay đổi 49 3.4.1 Điện trở thay đổi 50 3.4.2 Điện cảm thay đổi 50 CHƯƠNG 52 MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 52 4.1 Tham số động 52 MỤC LỤC 4.2 Giới hạn làm việc động 52 4.3 Mô hình hệ thống 54 4.3.1 Bộ nghịch lưu 56 4.3.2 Bộ điều khiển dòng điện 57 4.3.3 Bộ điều khiển tốc độ 58 4.3.4 Giới hạn dòng điện điện áp 59 CHƯƠNG 60 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 60 5.1 Vùng tốc độ 60 5.2 Vùng tốc độ 62 5.3 Ảnh hưởng tham số động tới chất lượng hệ điều khiển 63 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 71 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu viết tắt Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt Induction Motor Động không đồng Interior Permanent Magnet Động đồng nam châm vĩnh Synchronous Motor cửu chìm Surface Permanent Magnet Động đồng nam châm vĩnh Synchronous Motor cửu bề mặt DC Direct Current Motor Động điện chiều DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp momen FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thông IM IPMSM SPMSM MTPA Maximum Torque Per Ampere Cực đại momen với dòng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: So sánh cấu trúc động SPM IPM 11 Hình 2.1 Sơ đồ động đồng pha 14 Hình 2.2 Vector không gian điện áp stator hệ tọa độ αβ 16 Hình 2.3 Vector không gian điện áp điện áp pha hệ trục αβ 17 Hình 2.4 Hệ tọa độ dq 19 Hình 2.5 Mô hình liên tục động IPM 24 Hình 2.6 Sơ đồ phương pháp điều khiển DTC 26 Hình 2.7 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển FOC với isd= 28 Hình 3.1 Đường momen điện từ cực đại theo giá trị dòng điện stator Is 30 Hình 3.2 Cấu hình điều khiển cửa [8] 31 Hình 3.3 Thuật toán tìm kiếm đưa [7] 34 Hình 3.4 Các vùng làm việc động đồng IPM 39 Hình 3.5 Các vùng chuyển đổi thuật toán điều khiển cực đại momen cho động đồng IPM 42 Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán điều khiển cực đại momen cho động đồng IPM 43 Hình 3.7 Cấu trúc điều khiển cực đại momen cho động đồng IPM 43 Hình 3.8 Sơ đồ khối điều chỉnh dòng điện bù chéo trực tiếp 46 Hình 3.9 Mô hình toán học động IPM 47 Hình 3.10 Mạch vòng dòng điện isd 48 Hình 3.11 Mạch vòng tốc độ 49 Hình 4.1 Các vùng làm việc động 52 Hình 4.2 Giới hạn làm việc động (lý thuyết) 54 Hình 4.3 Sơ đồ hệ truyền động xây dựng Simulink 55 Hình 4.4 Bộ nghịch lưu 56 Hình 4.5 Bộ điều chỉnh dòng điện có bù chéo 57 Hình 4.6 Bộ điều chỉnh tốc độ 58 Hình 5.1 Đáp ứng tốc độ động 60 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 5.2 Đáp ứng momen động 60 Hình 5.3 Dòng điện isd, isq động 61 Hình 5.4 Dòng điện Is động 61 Hình 5.5 Dòng điện pha a, b, c động 62 Hình 5.6 Đáp ứng vùng tốc độ động 63 Hình 5.7 Điện trở thay đổi theo thời gian 64 Hình 5.8 Đáp ứng hệ tốc độ điện trở thay đổi 65 Hình 5.9 Đáp ứng hệ tốc độ điện trở thay đổi 66 Hình 5.10 Điện cảm Lq thay đổi theo iq 67 Hình 5.11.Đáp ứng với tải nhẹ điện cảm thay đổi 68 Hình 5.12.Đáp ứng với tải nặng điện cảm thay đổi 70 DANH MỤC TRONG BẢNG DANH MỤC TRONG BẢNG Bảng 3.1 Thuật toán giới hạn điện áp hệ (d, q) phần mềm 45 Bảng 4.1 Bảng thông số động mô 52 LỜI NÓI ĐẦU LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, động điện sử dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng, hệ truyền động máy gia công kim loại, máy đóng gói, ôtô điện, hệ thống tự động tòa nhà… Trong số loại động điện, động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) có ưu điểm trội không cần chổi than, hiệu suất cao, chất lượng điều khiển tốt thu nhiều ý nhà nghiên cứu Sử dụng nam châm vĩnh cửu gắn rotor từ tiết kiệm dòng điện để tạo từ thông khiến động nam châm vĩnh cửu có kích cỡ nhỏ so với động không đồng Không chổi than giúp đảm bảo tiết kiệm công sức bảo dưỡng đồng thời giảm tổn thất mát tiếp xúc chổi than Các ưu điểm giúp động đồng nam châm vĩnh cửu dần thay cho động không đồng chiều trước hay sử dụng Động không đồng nam châm vĩnh cửu lại chia làm hai loại dựa cấu tạo rotor: Động nam châm vĩnh cửu chìm (IPM) động nam châm vĩnh cửu bề mặt (SPM) Động nam châm bề mặt có nam châm phân bố bề mặt rotor, cấu trúc không phù hợp ứng dụng tốc độ cao Mặt khác, động nam châm vĩnh cửu chìm có nam châm đặt sâu trục rotor, cấu trúc không bền vững cho ứng dụng tốc độ cao mà giúp động có đặc điểm khác khác biệt điện cảm Ld Lq Chính khác biệt giúp động nam châm vĩnh cửu chìm tạo thêm thành phần momen khác thành phần momen điện từ tạo từ thông nam châm vĩnh cửu Để tận dụng hết khả động đồng nam châm vĩnh cửu chìm, nhiều thuật toán đưa để đạt momen tối ưu với giá trị dòng điện xác định Qua trình tìm hiểu, với hướng dẫn Thầy Tạ Cao Minh, em tìm hiểu thuât toán điều khiển momen cực đại cho động nam châm vĩnh cửu chìm Trong số có phương pháp đáng ý tác giả người Nhật Shigeo Morimoto, Masayuki Sanada Yoji Takeda, đưa thuật toán điều khiển momen tối ưu vùng tốc độ vùng tốc độ cao Trong đồ án này, em LỜI NÓI ĐẦU tiến hành xây dựng mô hình thực mô kiểm chứng thuật toán tác giả rút kết luận điều khiển momen cực đại Đồ án trình bày theo chương: Chương 1: Tổng quan động IPM ứng dụng Chương 2: Yêu cầu truyền động ô tô điện Chương 3: Thuật toán cực đại momen Chương 4: Mô hình hóa hệ thống tính toán điều khiển Chương 5: Mô hoạt động hệ điều khiển hệ truyền động Các công thức tính toán, chương trình mô trình bày phụ lục Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Tạ Cao Minh, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ em trình thực đề tài Trong trình nghiên cứu chắn tránh khỏi sai sót, em mong nhận ý kiến đóng góp thầy cô đọc đồ án Vũng Tàu, ngày 31 tháng 03 năm 2015 Sinh viên thực Phan Công Thành Chương Tổng quan động IPM ứng dụng CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ IPM VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Khái quát động đồng nam châm vĩnh cửu Động đồng nói chung máy điện xoay chiều có tốc độ quay rotor tốc độ quay từ trường Ở chế độ xác lập động điện đồng có tốc độ quay rotor không đổi tải thay đổi, tùy thuộc vào tần số nguồn số đôi cực động Động đồng có phần cảm đặt rotor phần ứng hệ dây quấn ba pha đặt stator Với động đồng nam châm vĩnh cửu phần cảm kích thích phiến nam châm bố trí rotor 1.1.1 Cấu tạo động đồng nam châm vĩnh cửu Cấu tạo động không đồng bao gồm rotor stator: * Stator động đồng bao gồm lõi thép dây quấn stator động Lõi thép stator chế tạo tôn silic ép chặt vào nhau, có phủ sơn cách điện Dây quấn stator động quấn phân tán hình sin, ta có động đồng nam châm vĩnh cửu hình sin, quấn tập trung động trở thành động đồng nam châm vĩnh cửu hình thang, hay gọi động chiều không chổi than Ở ta nghiên cứu động đồng nam châm vĩnh cửu hình sin * Rotor động đồng nam châm vĩnh cửu chế tạo thép đúc gia công thành khối lăng trụ khối hình trụ Nam châm vĩnh cửu gắn mặt bên khối Chính khác biệt cho ta phân loại động đồng nam châm vĩnh cửu 1.1.2 Phân loại động đồng nam châm vĩnh cửu Động đồng nam châm vĩnh cửu chia làm hai loại: 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008 IEEE, July 2008, pp – [11] Ching-Tsai Pan, S.-M Sue “A linear maximum torque per ampere control for IPMSM drives over full-speed range” Energy Conversion, IEEE Transactions on ,Vol.20, June 2005, pp 359 – 366 [12] R S Colby and D W Novotny, “An efficiency-optimizing permanentmagnet,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol 24, no 3, pp 462–469, 1988 [13] S Kim, Y.D Yoon, S.K Sul, K Ide, and K.Tomita, “Parameter independent maximum torque per ampere (MTPA) control of IPM machine based on signal injection,” in Proc of IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2010, no 1, pp 103–108 [14] P Niazi, H A Toliyat, and A Goodarzi, “Robust maximum torque per ampere (MTPA) control of PM-assisted SynRM for traction applications,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 56, no 4, pp 1538–1545, 2005 [15] Abroshan, M; Milimonfared, J ; Malekian, K ; Rahnamaee, A “An optimal control for saturated interior permanent magnet linear synchronous motors incorporating field weakening” Power Electronics and Motion Conference, 2008 EPE-PEMC 2008 13th, Sept 2008, pp 1117 – 1122 70 Control PHỤ LỤC PHỤ LỤC P1 Chứng minh số công thức Giá trị dòng điện isd, isq giới hạn vùng giảm từ thông Giá trị dòng điện isd,isq giới hạn vùng giảm từ thông giao điểm đường giới hạn điện áp đường tròn dòng điện: (1) (2) Thay (2) vào (1) ta có: (3) 71 PHỤ LỤC 72 PHỤ LỤC 73 PHỤ LỤC 74 PHỤ LỤC P2 Chương trình matlab Chương trình Matlab tính momen cực đại: function [y1,y2]= fcn(u) % -input variables Idd=0; Iqd=abs(u(2)); s=sign(u(2)); wd=u(1); % -parameters R=0.295;Qa=0.108; Ld=7,49e-3;Lq=23,7e-3; Vmax=50;Imax=8.86; Vom = Vmax-Imax*R; % wb = 249.160; %Base speed w0 = 417.2574; %Flux weakening only speed % -Main algorithm -if(wdVom/(wd*Lq)) Iqd=(Vom-0.05)/(wd*Lq); end 76 PHỤ LỤC % Calculate limit value a=(Ld^2-Lq^2); b=2*Ld*Qa; c=Qa^2+Lq^2*Imax^2; d=Vom^2/(wd^2); Id2lim=(-b+sqrt(b^2-4*a*(c-d)))/(2*a); Iq2lim=sqrt(Imax^2-Id2lim^2); % Iq limit if (Iqd>Iq2lim) Iqd=Iq2lim; end Idd=-Qa/Ld+1/Ld*sqrt(Vom^2/wd^2-(Lq*Iqd)^2); end % Output y1=Idd; y2=Iqd*s; Chương trình Matlab tính giới hạn động cơ( trường hợp không tồn vùng làm việc thứ 3): % Parameter R=0.295; Ld=7,49e-3;Lq=23,7e-3; Pp=2;Qa=0.108; J=0.0005037; Vmax=50;Imax=8.86; % -Calculate Limit value -Vom = Vmax-Imax*R; % operation point A: wb and Id2=Qa/(4*(Lq-Ld))-sqrt(Qa^2/(16*(Lq-Ld)^2)+Imax^2/2); 77 Tmax - PHỤ LỤC Iq2=sqrt(Imax^2-Id2^2); Tmax2 = 3/2*Pp*(Qa*Iq2+(Ld-Lq)*Id2*Iq2); wmax2 = sqrt(Vom^2/((Qa+Ld*Id2)^2+(Lq*Iq2)^2)); % speed at elip through O: w0 -w0=sqrt(Vom^2/Qa^2); % Motor Limit Value % -Maximum Torque controlmethod % Regillion step=wmax2/1000; wr1=[0.1:step:wmax2]; Tr1=wr1./wr1*Tmax2; % Regillion Theory step=Imax/1000; iq=[Iq2:-step:0.01]; id=-sqrt(Imax^2-iq.^2); Tr2 = 3/2*Pp*(Qa*iq+(Ld-Lq)*id.*iq); wr2 = sqrt(Vom^2./((Qa+Ld*id).^2+(Lq*iq).^2)); % Maximum Torque control method w=[wr1 wr2]/Pp; T=[Tr1 Tr2]; % -Plot -plot(w,T,'b'); hold; % Description grid on; title('IPM Motor Limit'); xlabel('Speed(rad/s)'); ylabel('Moment(N.m)'); 78 PHỤ LỤC hleg1 = legend('Momen cuc dai'); 3.Chương trình Matlab tính toán điều khiển: % Parameter R=0.295; Pp=2;Qa=0.108; Ld=7,49e-3;Lq=23,7e-3; J=0.0005037; Vmax=50;Imax=8.86; % - wbase va w0 Id2=Qa/(4*(Lq-Ld))-sqrt(Qa^2/(16*(Lq-Ld)^2)+Imax^2/2); Iq2=sqrt(Imax^2-Id2^2); Vom = Vmax-Imax*R; w0=sqrt(Vom^2/Qa^2) wmax2 = sqrt(Vom^2/((Qa+Ld*Id2)^2+(Lq*Iq2)^2)); Iqmax=Iq2; wb=wmax2 % -Hang so thoi gian -Td=Ld/R; Tq=Lq/R; frc=5000; Tbt=1/(2*frc); Tdi=0.1e-3; Tpx=0; Tdw=1e-3; Tt=Tdi+Tbt; % Tinh tham so bo dieu khien % -Bo dk dong dien Kpd=Ld/(2*Tt); 79 PHỤ LỤC Kid=R/(2*Tt); Kpq=Lq/(2*Tt); Kiq=R/(2*Tt); Tt=2*Tdw+Tt; % -Bo dk toc -Kpw=J/(Pp*Qa*3*Tt); Kiw=J/(Pp*Qa*12*Tt^2); % -Thay doi Lq Iq0=6; Beta=7e-3; Chương trình matlab thực điều chế vector SVM inverter: function y = fcn(u) %#codegen % reference voltage (phase frequency and amplitude) Ual=u(1); Ubt=u(2); % parameter Vdci=u(3);% Inverter DC feed Trc=u(4); % carrier frequency % Space vectors phase A+ B+ C+ % V0=[0 0];% G1 off G3 off G5 off % V1=[1 0];% G1 on G3 off G5 off % V2=[1 0]; % V3=[0 0]; % V4=[0 1]; % V5=[0 1]; % V6=[1 1]; % V7=[1 1];% G1 on G3 on G5 on 80 PHỤ LỤC % Calculate temp variable a=abs(Ual)+1/sqrt(3)*abs(Ubt); b=abs(Ual)-1/sqrt(3)*abs(Ubt); c=2/sqrt(3)*abs(Ubt); S=1; %Sector Q=1; %Quater %Quater Select if Ubt0 Q=1; else Q=2; end else if Ual0 S=1; else S=2; end case if b0 S=4; else S=5; end case if b