Điều khiển hệ truyền động cho ô tô điện

Đối với động cơ xoaychiều nói chung, có ba cấu trúc chính là điều khiển vô hướng, điều khiển trực tiếp mômenDTC, và điều khiển vector còn gọi là FOC.2Với những ưu việt của mình, phương p

Trang 1

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Luận vănThạc sĩ Khoa học

NgànhĐiều khiển và Tự động hóa

Học viên:

Nguyễn Bảo Huy

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Tạ Cao Minh

Hà Nội, tháng Chín năm 2015

Trang 2

“Science is a way of trying not to fool yourself”

Richard Feynman

Trang 3

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ “Điều khiển hệ truyền động cho ô tô điện”

là công trình của tôi và được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Tạ Cao Minh.Các số liệu và kết quả là hoàn toàn trung thực

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục

“Tài liệu tham khảo” và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếuphát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Học viên

i

Trang 4

Lời cảm ơn

Lòng tri ân sâu sắc nhất của tôi xin được dành cho thầy Tạ Cao Minh Không chỉ làngười hướng dẫn luận văn này, thầy còn là người đã dìu dắt tôi suốt từ những năm cuốicủa bậc đại học cho đến nay Mọi thứ mà tôi đã đạt được trên con đường học tập vànghiên cứu đều có sự chỉ bảo và dạy dỗ của thầy

Luận văn này được thực hiện như một phần công việc trong Đề tài khoa học cấpNhà nước “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ truyền động và điều khiển cho ô tô điện”, mã sốKC.03.08/11-15, thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ(CTI), ĐH Bách Khoa Hà Nội Xin trân trọng cảm ơn Đề tài

Tôi xin cảm ơn các anh chị và các bạn cộng sự Xin cảm ơn anh Trần Bình Dương vàanh Nguyễn Văn Đại là những người đã thiết kế và chế tạo phần cứng cho bộ inverter

và các bộ phận liên quan Xin cảm ơn anh Võ Duy Thành và bạn Trần Thị Minh Trang

đã giải mã các tín hiệu điều khiển trung tâm của xe ô tô điện iMiEV Xin cảm ơn anhBùi Đăng Quang và bạn Đào Triệu Phi Trường với những công tác hành chính, hậu cần

kỹ thuật, thiết kế và gia công cơ khí trong Đề tài Xin cảm ơn anh Vũ Ngọc Minh về nhữngtrao đổi và tư vấn chuyên môn hữu ích Nếu không có các anh và các bạn, chắc chắn tôikhông thể hoàn thành công việc của mình

Tôi xin cảm ơn các bạn cựu sinh viên làm việc tại CTI đã góp sức cùng tôi thực hiệnmột số nhánh công việc của Đề tài, và qua đó là việc hoàn thành luận văn này Cảm ơncác bạn Nguyễn Xuân Thưởng, Đỗ Văn Hân, và Phạm Ngọc Quang Đặc biệt cảm ơn bạnNguyễn Dũng về sự hỗ trợ mạnh mẽ của bạn Nếu không có các bạn, tôi sẽ gặp khó khănhơn rất nhiều và khó đạt được kết quả như hiện nay

Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp – Viện Điện và Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự độnghóa (ICEA) thuộc ĐH Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ chúng tôi một số thiết bị thí nghiệm.Xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Bộ môn Tự động hóa và ICEA

Tôi xin cảm ơn các lãnh đạo, cán bộ và nhân viên Phòng Thí nghiệm Động cơ Đốt trong(Viện Cơ khí Động lực, ĐH Bách Khoa Hà Nội) đã nhiệt tình hỗ trợ chúng tôi trongcông việc thử nghiệm xe

Trang 5

Mục lục

1.1 Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện 9

1.1.1 Đặc điểm của hệ truyền động ô tô điện 9

1.1.2 Động cơ truyền động cho ô tô điện 10

1.2 Cấu trúc và mô hình hóa động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (IPMSM) 12 1.2.1 Cấu trúc động cơ IPM 12

1.2.2 Mô hình hóa động cơ IPM 13

1.3 Điều khiển vector động cơ IPM 15

1.3.1 Nguyên lý điều khiển vector 15

1.3.2 Cấu trúc điều khiển vector động cơ IPM cho ô tô điện iMiEV 18

2 Nâng cao chất lượng điều khiển dòng điện động cơ IPM 20 2.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện với kỹ thuật hàm chuẩn bậc hai 20

2.1.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện 20

2.1.2 Kết quả mô phỏng 23

2.2 Nâng cao chất lượng điều khiển dòng điện bằng kỹ thuật quan sát nhiễu (DOB) 23

2.2.1 Bộ quan sát nhiễu 25

2.2.2 Cấu trúc điều khiển dòng điện sử dụng bộ quan sát nhiễu 26

2.2.3 Kết quả mô phỏng 28

3 Mô hình thống nhất của hệ truyền động với phương pháp “biểu diễn vĩ mô năng lượng” EMR 30 3.1 Phương pháp “biểu diễn vĩ mô năng lượng” EMR 30

3.2 Mô hình hóa hệ truyền động ô tô điện bằng phương pháp EMR 32

3.2.1 Ắc quy và nghịch lưu nguồn áp ba pha 33

3.2.2 Động cơ IPM 34

1

Trang 6

Mục lục

3.2.3 Mô hình biểu diễn bánh xe truyền thống 343.2.4 Mô hình biểu diễn hệ khung – vỏ xe 353.3 Đề xuất mô hình EMR của tương tác lốp xe – mặt đường 363.3.1 Biểu diễn EMR của tương tác lốp xe – mặt đường sử dụng mô hình

Pacejka 363.3.2 Kết quả mô phỏng 39

4.1 Mô tả hệ thống thực nghiệm 424.2 Xác định thông số động cơ IPM truyền động cho xe iMiEV 424.3 Kết quả thực nghiệm 45

P.1 Khâu chống bão hòa tích phân anti–windup 58P.2 Điều biến vector không gian SVPWM 59P.3 Bổ sung về thử nghiệm ô tô điện iMiEV 60P.4 Thử nghiệm bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp bằng điều chế SVPWM vòng hởvới tải là cặp động cơ – máy phát không đồng bộ 30 kW 61P.5 Mô phỏng bằng C MEX S–function trong Matlab/Simulink 67P.6 Một số hình ảnh kỷ niệm 72

Trang 7

Danh sách hình vẽ

1.1 Minh họa sự khác biệt giữa đặc tính cơ động cơ điện và động cơ đốt trong

(ICE) 10

1.2 Các loại động cơ đã và đang được sử dụng cho ô tô điện 12

1.3 Cấu trúc động cơ IPM với nam châm được gắn chìm trong rotor 13

1.4 Mô hình toán học động cơ IPMSM 15

1.5 Minh họa phép chuyển hệ tọa độ Clarke (abc → αβ) và Park (αβ → dq) 16

1.6 Cấu trúc điều khiển vector hệ truyền động IPMSM cho ô tô điện 19

2.1 Cấu trúc điều khiển tách kênh dòng điện (mô tả chi tiết của khối “Decou-pling Current Controller” trong Hình 1.6) 21

2.2 Ảnh hưởng của hệ số tắt dần D tới chất lượng đáp ứng 22

2.3 (Mô phỏng) Các đáp ứng dòng điện của động cơ 24

2.4 Hai loại nhiễu trong hệ điều khiển: disturbance và noise 25

2.5 Nguyên lý của bộ quan sát nhiễu DOB 26

2.6 Cấu trúc đề xuất của bộ điều khiển dòng điện sử dụng bộ quan sát nhiễu 27 2.7 (Mô phỏng) Đáp ứng dòng điện khi không sử dụng và có sử dụng bộ quan sát nhiễu 29

3.1 Các phần tử cơ bản của EMR 31

3.2 Cấu hình tổng quát của hệ truyền động 33

3.3 Mô hình ắc quy và nghịch lưu 33

3.4 Mô hình động cơ IPM và bộ giảm tốc 34

3.5 Mô hình biểu diễn bánh xe truyền thống 35

3.6 Biểu diễn EMR của hệ khung – vỏ xe 35

3.7 Minh họa mối quan hệ giữa độ trượt và lực truyền động cho xe 37

3.8 Mô hình thống nhất hệ truyền động ô tô điện sử dụng biểu diễn tương tác lốp xe – mặt đường đề xuất 38

3.9 Điều kiện mặt đường trong mô phỏng 40

3.10 (Mô phỏng) Tốc độ của bánh xe và tốc độ của thân xe 40

3.11 (Mô phỏng) Các đáp ứng mômen, lực, tốc độ, và tỷ số trượt của hệ truyền động ô tô điện được biểu diễn bằng phương pháp EMR 41

4.1 Hình ảnh lắp đặt hệ thống thực nghiệm 46 4.2 Triển khai thuật toán trên Matlab/Simulink, chạy trên bộ điều khiển dSPACE 1103, và được vận hành và giám sát bằng phần mềm ControlDesk 47

3

Trang 8

Danh sách hình vẽ

4.3 Thí nghiệm đo điện trở và điện cảm hai trục d và q của động cơ 484.4 (Thực nghiệm) Dạng sóng sức phản điện động (hình sin, màu đỏ) và góc θthu được từ resolver của động cơ khi làm thí nghiệm quay một vòng bánh

xe nhằm xác định số đôi cực của động cơ 484.5 (Thực nghiệm) Dạng sóng sức phản điện động (a) và kết quả xử lý dữ liệunhằm xác định hằng số điện áp, tức là từ thông nam châm vĩnh cửu, củađộng cơ ô tô (b) 494.6 (Thực nghiệm) Các đáp ứng dòng điện trên hệ tọa độ d − q của động cơ 504.7 (Thực nghiệm) Dòng điện pha a và dòng điện iq 51P.1 Cấu trúc bộ điều khiển PI có khâu chống bão hòa tích phân kiểu backcalculation 58P.2 Lắp đặt ô tô điện trên băng thử tải 60P.3 Thông số và đặc tính động cơ truyền động ô tô điện iMiEV (ảnh chụp từtài liệu nhà sản xuất cung cấp) 60P.4 Sơ đồ vận hành thí nghiệm biến tần Cấu trúc chi tiết của bộ tải điện trởđược cho trong Hình P.5 62P.5 Sơ đồ hệ thống tải điện trở 63P.6 Giao diện chương trình giám sát và điều khiển 64P.7 (Thực nghiệm) Dạng sóng điện áp pha trên cuộn dây pha a của động cơ

và phổ Fourier của điện áp 65P.8 (Thực nghiệm) Dạng sóng dòng điện pha trên cuộn dây pha a của động cơ

và phổ Fourier của dòng điện 66

Trang 9

Danh sách bảng

3.1 Thông số ô tô điện iMiEV sử dụng cho mô phỏng 394.1 (Thực nghiệm) Dữ liệu đo sức phản điện động trên hai cực (điện áp dâyline-to-line voltage) của động cơ 444.2 Thông số động cơ IPM của ô tô điện iMiEV 45P.1 (Thực nghiệm) Kết quả đo điện áp pha trên cuộn dây pha a của động cơ 66P.2 (Thực nghiệm) Kết quả đo dòng điện trên cuộn dây pha a của động cơ 66

5

Trang 10

Danh mục từ viết tắt

Chữ viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

AC Alternative Current Xoay chiều

BLDC Brushless DC (motor) (Động cơ) một chiều không chổi than

DC Direct Current Một chiều

DOB Disturbance Observer Bộ quan sát nhiễu

DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp mômen

EMF Electromotive Force Sức điện động

EMR Energetic Macroscopic Representation Biểu diễn vĩ mô năng lượng

EVs Electric Vehicles Xe (ô tô) điện

FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa theo từ thông

ICE Internal Combustion Engine Động cơ đốt trong

IPM Interior Permanent Magnet Nam châm vĩnh cửu chìm

LPF Low-pass Filter Bộ lọc thông thấp

PI Proporsional – Integral Tỷ lệ – tích phân

PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PWM Pulse Width Modulation Điều biến độ rộng xung

SPM Surface Permanent Magnet Nam châm vĩnh cửu (gắn trên) bề mặt SRM Switched Reluctance Motor Động cơ từ trở chuyển mạch

SVPWM Space Vector PWM Điều biến vector không gian

SynRM Synchronous Reluctance Motor Động cơ từ trở đồng bộ

Trang 11

Mở đầu

Thế giới đang đứng trước hai thách thức lớn của phát triển bền vững là ô nhiễmmôi trường và việc đang dần cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch (than đá,dầu mỏ, và khí đốt) Ô tô điện (Electric Vehicles — EVs), và các phương tiện giao thôngchạy điện nói chung, là một giải pháp hiệu quả cho những vấn đề này Ô tô điện, do đó,hiện đang là một chủ đề nghiên cứu thu hút rất nhiều sự quan tâm của giới nghiên cứutrong các trường đại học cũng như các doanh nghiệp trong ngành công nghiệp ô tô

Ô tô điện là một đối tượng nghiên cứu đa ngành, có nhiều cách tiếp cận khác nhautheo nhiều “trường phái” Việc lựa chọn và giới hạn đối tượng nghiên cứu cũng là cả mộtvấn đề lớn Nhằm mục đích từng bước làm chủ những kỹ thuật cốt lõi của công nghệ ô tôđiện, nội dung công việc của Đề tài KC.03.08/11-15 được giới hạn trong việc thiết kế vàchế tạo hệ truyền động và điều khiển cho ô tô điện Luận văn này là kết quả một phầncông việc của Đề tài là điều khiển hệ truyền động điện của xe Luận văn bao gồm nhữngnội dung chính dưới đây

Trong Chương 1, ở Mục 1.1, chúng tôi trình bày tổng quan về hệ truyền động ô tô điện,dẫn ra những yêu cầu đặc thù, phân tích khả năng của một số loại động cơ dùng cho

ô tô điện, sau đó chỉ ra loại động cơ phù hợp được nghiên cứu trong luận văn này làđộng cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (IPMSM)1 Trong Mục 1.2 tiếp theo, chúng tôikhảo sát cấu trúc và đặc tính của động cơ IPM, từ đó đưa ra mô hình toán học củađộng cơ Sau đó, hệ thống điều khiển vector cho động cơ IPM được xây dựng trongMục 1.3 Chương 1 là chương cơ bản gồm các nội dung nền tảng để từ đó thực hiện cáccông việc tiếp theo

Sau khi hệ thống điều khiển vector cơ bản được trình bày ở Chương 1, một sốphương pháp điều khiển dòng điện chất lượng cao được nghiên cứu và trình bày trongChương 2, cụ thể gồm các vấn đề chính như sau Thứ nhất, trong Mục 2.1 cấu trúcđiều khiển tách kênh dòng điện được xây dựng nhằm loại bỏ ảnh hưởng của các thành phầntương tác chéo Cùng với đó, bộ điều khiển PI được thiết kế bằng một phương pháphiệu quả dựa trên hàm chuẩn bậc hai cho chất lượng đáp ứng dòng điện tốt Thứ hai,vấn đề ảnh hưởng của sai lệch tham số động cơ tới chất lượng điều khiển dòng điện đượcđặt ra Chúng tôi đề xuất một cấu trúc điều khiển nhằm giảm thiểu ảnh hưởng này dựatrên kỹ thuật quan sát nhiễu (DOB) Vấn đề này được trình bày trong Mục 2.2

Sau khi các thuật toán điều khiển cơ bản và nâng cao cho động cơ được thiết kế

và triển khai, nhu cầu về việc xây dựng một mô hình tổng thể thống nhất của toàn hệtruyền động kéo (traction drive) cho ô tô điện được đặt ra Chúng tôi sử dụng phương pháp

1 Trong luận văn này, ta gọi là động cơ IPM hoặc IPMSM

7

Trang 12

Mở đầu

“biểu diễn năng lượng vĩ mô” EMR để xây dựng mô hình này Chi tiết về phương phápEMR và việc mô hình hóa hệ truyền động sử dụng EMR được trình bày lần lượt trongcác Mục 3.1 và 3.2 của Chương 3 Tiếp đó, chúng tôi nghiên cứu sâu hơn về vấn đềtương tác giữa lốp xe và mặt đường, từ đó đề xuất một mô hình EMR của tương tác này

Đề xuất được trình bày trong Mục 3.3 Mô hình EMR của hệ truyền động được khảo sátbằng mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink

Chương 4 mô tả hệ thống thực nghiệm trên nền tảng (framework) ô tô điện MitsubishiiMiEV và các phương pháp xác định thông số động cơ phục vụ cho việc mô hình hóa vàthiết kế các bộ điều khiển Các kết quả thực nghiệm chính được trình bày trong chươngnày

Luận văn này có thể được coi như có một số đóng góp sau đây

• Trên phương diện học thuật: Luận văn có hai đề xuất về việc nâng cao chất lượngđiều khiển dòng điện sử dụng bộ quan sát nhiễu và mô hình biểu diễn EMR củatương tác lốp xe – mặt đường Hai đề xuất này được trình bày trong Chương 2 vàChương 3 và được công bố lần lượt thành các bài báo [BH1, BH2]

• Trên phương diện thực tiễn: Chúng tôi đã xây dựng một hệ thống thực nghiệmđược thiết kế và vận hành một cách bài bản, tạo nền tảng cho việc phát triển cácnghiên cứu nâng cao tiếp theo

Để luận văn được cô đọng, một số vấn đề chi tiết về kỹ thuật mô phỏng, hình ảnhthực nghiệm, và một vài nội dung khác được đưa vào phần Phụ lục

Trang 13

Chương 1

Điều khiển vector động cơ IPM

cho hệ truyền động ô tô điện

1.1.1 Đặc điểm của hệ truyền động ô tô điện

Ô tô điện sử dụng động cơ điện để truyền động thay cho động cơ đốt trong Điều nàykhiến cho hệ truyền động ô tô điện có những ưu thế so với ô tô chạy nhiên liệu xăng dầunhư sau [15]:

• Khả năng đáp ứng mômen nhanh và chính xác: Động cơ điện có khả năngđáp ứng mômen nhanh gấp khoảng 100 lần so với động cơ đốt trong Đặc tính cơđặc trưng của động cơ đốt trong (ICE) và động cơ điện sử dụng cho ô tô điện đượcminh họa trên Hình 1.1 Động cơ đốt trong cần kết hợp với việc chuyển số để có thểhoạt động trên một dải tốc độ và mômen rộng (các họ đường đặc tính màu xanh củaICE như trên hình vẽ); trong khi đó động cơ điện có thể hoạt động trên toàn dải

• Có thể sử dụng hai hay bốn động cơ in–wheel lắp trong mỗi bánh xe:

Ô tô thông thường chỉ có một động cơ đốt trong, động cơ được nối với cầu chủ động(cầu trước, cầu sau hoặc hai cầu) qua trục các–đăng và phân chia mômen cho mỗibánh xe bằng bộ vi sai Thay vào đó, động cơ điện có thể được tích hợp bên trongcác bánh xe (gọi là động cơ in–wheel), do vậy một chiếc ô tô điện có thể có một, haihoặc bốn động cơ truyền động Điều này đem lại khả năng điều khiển mômen trêntừng bánh xe, từ đó tăng số bậc tự do cho điều khiển chuyển động ô tô điện

• Có thể tính toán dễ dàng và chính xác mômen của động cơ điện: Khác vớiđộng cơ đốt trong, ta có thể tính toán, ước lượng một cách chính xác và dễ dàngmômen điện từ của động cơ điện bằng cách đo các thông số về dòng điện và điện ápcủa động cơ Ước lượng được mômen sẽ giúp ta điều khiển chính xác mômen dođộng cơ sinh ra, từ đó tính toán và điều khiển chính xác lực tác động giữa mặt đường

và bánh xe, điều mà rất khó thực hiện đối với động cơ đốt trong

Từ các phân tích trên, ta thấy khả năng đáp ứng mômen chính là vấn đề cốt lõi củabài toán điều khiển hệ truyền động ô tô điện Mặt khác, ta thấy rằng với việc lái xe

9

Trang 14

Chương 1 Điều khiển vector động cơ IPM cho hệ truyền động ô tô điện

Torque

Speed

Electric motors

ICE

Hình 1.1: Minh họa sự khác biệt giữa đặc tính cơ động cơ điện và động cơ đốt trong (ICE).

ô tô trong thực tế, người lái đóng vai trò là bộ điều khiển tốc độ của xe Hệ truyền độngcủa ô tô điện, do đó, chính là hệ điều khiển mômen; và vì thế, là vòng trong cùng của

hệ thống điều khiển ô tô điện

1.1.2 Động cơ truyền động cho ô tô điện

Các loại động cơ đã và đang được nghiên cứu sử dụng cho ô tô điện được thống kê vàphân loại như trên Hình 1.2 Việc sử dụng các loại động cơ này có thể được khái quátnhư sau:

• Động cơ một chiều (DC motor) được sử dụng sớm nhất và là loại dễ điều khiểnnhất Tuy nhiên, nhược điểm cố hữu của loại động cơ này là cần có cơ cấu vành góp– chổi than để cấp điện cho phần ứng; do vậy tốc độ và tuổi thọ của loại này khôngcao Hiện nay động cơ một chiều chỉ còn được sử dụng cho các loại xe công suấtnhỏ và không yêu cầu cao về chất lượng truyền động, ví dụ như xe điện du lịch trênđường phố hay xe chạy trong sân gôn và bệnh viện

• Động cơ không đồng bộ (Induction motor) có nhiều ưu điểm và được sử dụngphổ biến nhất trong công nghiệp Đối với ngành ô tô, loại động cơ này được TeslaMotor sử dụng để truyền động cho các sản phẩm của họ [29] Tuy nhiên, động cơkhông đồng bộ có nhược điểm là hiệu suất tương đối thấp, đặc biệt là ở tốc độ thấp

và chế độ non tải Hiệu suất của động cơ chỉ cao ở chế độ làm việc định mức Chính

vì vậy, loại này thích hợp cho các xe chạy ở đường cao tốc (như ở Hoa Kỳ) hơn làcho các dòng xe chạy trong đô thị, vốn thường xuyên phải chạy ở tốc độ khá thấp,hay phải tăng giảm tốc độ liên tục

Trang 15

• Động cơ từ trở chuyển mạch (Switched Reluctance Motor – SRM) vàđộng cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor – SynRM) cóđặc điểm riêng là nguyên lý sinh mômen dựa trên sự không bằng nhau của từ trởmạch từ Điều này đem lại nhiều ưu việt cho các loại động cơ này; tuy nhiên, dochỉ hoạt động dựa vào từ trở nên khả năng sinh mômen (với SynRM) và chất lượngđáp ứng mômen (với SRM) vẫn còn bị hạn chế Bởi vậy, việc sử dụng động cơ từ trởcho ô tô điện vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu.1

• Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) cũng được sử dụng nhiều cho xeđiện, tuy nhiên, dải ứng dụng của chúng chủ yếu là xe đạp điện và xe máy điện Ô tôđiện là ứng dụng cần chất lượng đáp ứng mômen cao nên nhược điểm về nhấp nhômômen đã hạn chế việc sử dụng BLDC làm động cơ truyền động

• Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có thể được coi là loại phùhợp nhất cho ô tô điện do những ưu điểm về hiệu suất cao, khả năng sinh mômencao và có thể được điều khiển với chất lượng đáp ứng tốt PMSM được chia thànhhai loại dựa trên cấu tạo của rotor là nam châm bề mặt (SPM) và nam châm chìm(IPM) Trong đó loại nam châm chìm có những ưu việt nổi trội, rất phù hợp cho ứngdụng ô tô điện Đây cũng chính là đối tượng điều khiển trong luận văn này Trongthực tế, động cơ của xe iMiEV mà chúng tôi dùng làm hệ thống thực nghiệm là loạiIPM Cấu tạo và đặc điểm của loại động cơ này được trình bày chi tiết hơn trongMục 1.2

Tiếp theo, ta lựa chọn phương pháp điều khiển hệ truyền động Đối với động cơ xoaychiều nói chung, có ba cấu trúc chính là điều khiển vô hướng, điều khiển trực tiếp mômen(DTC), và điều khiển vector (còn gọi là FOC).2Với những ưu việt của mình, phương phápđiều khiển vector hiện nay đã trở thành phương pháp chuẩn mực được sử dụng cho các

hệ truyền động điện xoay chiều trong công nghiệp Bằng việc cân nhắc những điều sau:

• phương pháp điều khiển vô hướng không điều khiển trực tiếp dòng điện, và do đó

là mômen, của động cơ, vì thế không thích hợp với một hệ truyền động điều khiểnmômen như ô tô điện;

• phương pháp DTC cho đáp ứng mômen nhanh, nhưng lại có nhược điểm là nhấp nhômômen lớn làm giảm chất lượng hệ thống;

• phương pháp điều khiển vector có đáp ứng mômen đủ nhanh và có chất lượngđiều khiển tốt;

cấu hình điều khiển vector được lựa chọn cho việc điều khiển hệ truyền động

1 Theo những hiểu biết tốt nhất của chúng tôi thì hiện chưa có sản phẩm ô tô thương mại dùng loại động cơ này.

2 Có những tranh luận (thú vị) về việc phân loại phương pháp DTC là điều khiển vô hướng hay điều khiển vector Ở đây, chúng tôi chia thành ba loại với quan điểm: điều khiển vô hướng là các phương pháp chỉ làm việc với giá trị biên độ của các đại lượng, ví dụ như phương pháp V /f ; điều khiển vector là phương pháp làm việc với các vector dòng điện với phép chuyển hệ tọa độ quay đồng bộ; còn DTC là phương pháp làm việc trực tiếp với từ thông và mômen của động cơ bằng các vector điện áp.

11

Trang 16

E LECTRIC M OTOR FOR EV S

DC motor Induction

Motor

Permanent Magnet Synchronous Motor

Switched Reluctance Motor

Sin wave PM motor

(PMSM)

Trapezoidal wave PM motor (BLDC motor)

Surface Permanent

Magnet Motor

(SPM motor)

Interior Permanent Magnet Motor (IPM motor)

Synchronous Motor

Synchronous Reluctance Motor (SynRM)

Hình 1.2: Các loại động cơ đã và đang được sử dụng cho ô tô điện.

chìm (IPMSM)

1.2.1 Cấu trúc động cơ IPM

Cấu trúc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm IPMSM được cho trong Hình 1.3.Stator của động cơ được cấu tạo giống như các động cơ xoay chiều ba pha khác, gồmcác lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau, có các rãnh để quấn dây Rotorcủa động cơ là một khối thép (cũng bằng các lá thép ghép cách điện với nhau) có gắnnam châm vĩnh cửu (PM) Điểm khác biệt cơ bản về cấu tạo của động cơ IPM so vớicác loại động cơ nam châm vĩnh cửu khác nằm ở cách gắn nam châm lên khối thép củarotor Các loại động cơ khác, điển hình là động cơ SPMSM, có nam châm được gắn đềutrên bề mặt của rotor Trong khi đó, nam châm của động cơ IPM được gắn vào bên trongrotor Điều này dẫn tới khoảng cách của nam châm đến stator không đều nhau, nói cáchkhác, độ lớn hiệu dụng của khe hở không khí (effective airgap) trong động cơ IPM làkhác nhau Do đó, từ trở của mạch từ động cơ theo các hướng là khác nhau; tương tự,điện cảm dọc trục (Ld) và ngang trục (Lq) của động cơ cũng khác nhau Sự khác biệtnày dẫn tới một tính chất đặc biệt của loại động cơ này là khả năng sinh mômen từ trở(reluctance torque) bên cạnh mômen do nam châm sinh ra (mutual torque) Do tính chấtnày, IPM có thể được coi như một loại động cơ lai (hybrid) giữa động cơ SPM và động cơ

từ trở đồng bộ SynRM, cụ thể như sau [23]:

• Động cơ SPM có mômen chỉ do tương tác giữa dòng điện phần ứng và nam châmsinh ra, mômen từ trở bằng không do hầu như không có sự chênh lệch giữa điện cảm

Trang 17

S N

N

S S

N S

N

Non-magnetic spacers

Với cấu tạo và đặc tính như trên, động cơ IPM có khả năng sinh mômen cao và

có cấu trúc cơ khí bền vững (nam châm được gắn chắc chắn bên trong rotor) nên rấtthích hợp để làm động cơ truyền động cho ô tô điện (vốn dĩ cần hệ truyền động hiệu suấtcao và có khả năng làm việc ở tốc độ cao)

1.2.2 Mô hình hóa động cơ IPM

Thông thường, việc mô hình hóa các loại động cơ xoay chiều ba pha (AC motor)thường được thực hiện từ các phương trình trên hệ tọa độ ba pha a − b − c, sau đóchuyển sang hệ tọa độ quay đồng bộ d − q [3, 20] Điều này phù hợp với tính chất vật lýthực sự của động cơ, bởi vì các đại lượng xoay chiều ba pha a − b − c là các đại lượngvật lý thực tế, còn hệ tọa độ quay d − q chỉ là hệ dùng để tính toán phục vụ mô hìnhhóa và điều khiển Bên cạnh đó, quy trình này cũng phù hợp với tiến trình lịch sử của

3 Theo các đo đạc trong thực tế, chúng tôi nhận thấy vẫn có một độ chênh lệch, tối đa khoảng 20%, tại các khe hở ở vị trí ghép nối các nam châm.

13

Trang 18

việc nghiên cứu điều khiển truyền động điện Ban đầu, các động cơ được mô hình hóa vàđiều khiển vô hướng trong hệ tọa độ ba pha tự nhiên, sau đó phương pháp điều khiểnvector mới ra đời dựa trên phép chuyển hệ tọa độ Park (theo [3])

Tuy nhiên, ở đây, chúng tôi thực hiện trực tiếp việc mô hình hóa động cơ trên hệ tọa độquay d − q vì những lý do sau:

• Cấu trúc điều khiển được sử dụng là điều khiển vector, mà hệ điều khiển vector đượcthiết kế trên cơ sở mô hình d − q của động cơ;

• Các thông số động cơ có mặt trong mô hình d − q có thể được xác định trực tiếpthông qua thực nghiệm (xem Chương 4) mà không cần tính toán từ các thông số

đo đạc trong hệ a − b − c như trong trường hợp động cơ không đồng bộ;

• Việc dẫn xuất mô hình d − q từ mô hình a − b − c đã được trình bày chi tiết trongcác tài liệu cơ bản như [3, 20], việc viết lại là không cần thiết

Sau khi có mô hình d − q, các phép biến đổi hệ trục tọa độ thuận và ngược sẽ tạo ra cácđầu vào và ra ba pha cho các đại lượng điện (điện áp và dòng điện pha)

Mô hình toán học của động cơ gồm có các phương trình điện, phương trình điện từ, vàphương trình động lực học Trong hệ tọa độ quay đồng bộ d − q, các phương trình điệncủa động cơ IPM được cho như sau:

0

ωeΦ

trong đó:

vd và vq là (hình chiếu của vector) điện áp (lên) trục d và trục q;

id và iq là (hình chiếu của vector) dòng điện (lên) trục d và trục q;

R là điện trở một pha, cũng là điện trở tương đương trên trục d và trục q;

Ld và Lq là điện cảm tương đương trên trục d và trục q (còn gọi là điện cảm dọctrục và ngang trục);

Tiếp theo, phương trình điện từ là mối quan hệ sinh mômen của động cơ:

T = 3Pp

2 [Φiq+ (Ld− Lq) idiq] (1.2)với Pp là số đôi cực (number of pole pairs) của động cơ Ta thấy rõ có hai thành phầnmômen trong phương trình này là mômen sinh ra do nam châm tương tác với dòng điện

Trang 19

q L

d L

p P T e

T

r

Js r



p P e



e



d v

q v

d i

q i

Electric model Electromagnetic model Mechanic model

Hình 1.4: Mô hình toán học động cơ IPMSM.

iq và mômen sinh ra do chênh lệch điện cảm (Ld− Lq) tương tác với các dòng điện id

1.3.1 Nguyên lý điều khiển vector

Như đã đề cập ở Mục 1.1, do những ưu việt của phương pháp điều khiển vector,chúng tôi lựa chọn cấu trúc này để điều khiển hệ truyền động IPMSM cho ô tô điện.Nguyên lý của phương pháp điều khiển vector có thể được diễn đạt một cách ngắn gọn làxây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động xoay chiều (AC drive) giống như điều khiểnđộng cơ một chiều (DC motor) Nguyên lý này có thể được dẫn giải theo các bước tiếp cậndưới đây.4

4 Điều khiển vector ngày nay đã là một kiến thức tương đối quen thuộc, được giảng dạy phổ cập cho sinh viên đại học trong các môn học liên quan đến Truyền động điện Vì vậy, chúng tôi không viết lại những cách trình bày truyền thống và chi tiết như các giáo trình mà diễn đạt theo cách tiếp cận trực quan của bản thân mình.

15

Trang 20

Hình 1.5: Minh họa phép chuyển hệ tọa độ Clarke (abc → αβ) và Park (αβ → dq).

Nguyên lý sinh mômen

Nguyên lý sinh mômen cơ bản của các loại động cơ điện đều dựa trên tương tác giữa

từ trường (phần cảm) và dòng điện (phần ứng) của động cơ, điều này có thể được biểu diễnmột cách khái quát như sau:

T ∼−→Φ ×−→

Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập, hai thành phần này tách rời nhau Từ thông củađộng cơ do nam châm vĩnh cửu hoặc mạch điện kích từ sinh ra Từ thông này tương tácvới dòng điện phần ứng sinh ra mômen Việc điều khiển hai thành phần này là hoàn toànđộc lập Mặt khác, biến cần điều khiển (dòng điện) là đại lượng một chiều, do vậy, việcđiều khiển động cơ một chiều có thể dễ dàng quy về bài toán điều khiển hệ tuyến tínhtham số hằng (LTI) có lượng đặt không đổi theo thời gian (ở chế độ xác lập) Do đó,động cơ một chiều rất dễ điều khiển.5

Trong khi đó, với các loại động cơ xoay chiều, sự độc lập và dễ dàng này không cònnữa Các dòng điện có dạng biến thiên xoay chiều, tương tác với nhau; các tác dụng sinh

từ thông và sinh mômen không tách bạch dẫn đến khó điều khiển Mô hình điện của cácloại động cơ này nói chung là một hệ phi tuyến tương tác mạnh và có các trạng tháibiến thiên liên tục Các kỹ thuật điều khiển vô hướng (như V /f ) không điều khiển đượctrực tiếp các thành phần dòng điện của động cơ, do vậy, chúng khó đem lại chất lượngtruyền động cao

Từ những phân tích trên, người ta muốn tìm cách đưa việc điều khiển động cơxoay chiều về dạng tương tự như động cơ một chiều với khả năng điều khiển độc lậphai thành phần sinh mômen ở trạng thái tĩnh (một chiều)

Trang 21

Chuyển hệ tọa độ

Nhằm thực hiện điều đó, Blashke và Hasse, lần lượt vào năm 1969 và 1970, đã đưa rahai phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ dựa vào các phép chuyển hệ tọa độ,lúc đó được gọi là phương pháp “Transvector” (theo [3,31]).6 Tư tưởng của việc này có thểđược diễn giải như sau:

• Các đại lượng xoay chiều trong động cơ (điện áp, dòng điện, sức phản điện động,

và từ thông) đều có thể được biểu diễn dưới dạng vector trong mặt phẳng phức

Để xác định một vector, ta không cần đến một hệ tọa độ ba trục như hệ a − b − cthông thường, mà thay vào đó là một hệ tọa độ trực giao có hai trục α và β Trục

α trùng với trục a, trục β vuông góc với trục α Phép chuyển hệ tọa độ từ a − b − csang α − β được cho như sau:

" αβ

#

= 23

√32

• Ta đã có hệ tọa độ quay đồng bộ, vấn đề tiếp theo cần xác định là vị trí tương đốicủa hệ tọa độ này so với các vector quay Cách làm hiệu quả và phổ biến nhất là gắntrục d trùng với vector từ thông rotor Φ Khi đó, thành phần dòng điện id chính làthành phần sinh từ thông, còn thành phần dòng điện iq vuông góc với từ thông chính

là thành phần tương tác với từ thông để sinh ra mômen Phép chuyển hệ tọa độ tĩnh

α − β sang hệ tọa độ quay d − q được cho như sau:

"

dq

#

trong đó, θe = ωet + θ0 là góc giữa vector từ thông rotor Φ và trục α

Các công thức (1.5) và (1.6) được gọi lần lượt là các phép biến đổi Clarke và Park, đượcminh họa trên Hình 1.5

Với các phép chuyển hệ tọa độ trên, ta có được một hệ thống có đặc tính giống vớiđộng cơ một chiều kích từ độc lập Đây là cơ sở để ta xây dựng mô hình động cơ trên

hệ tọa độ quay d − q như đã trình bày ở Mục 1.2 Với mô hình động cơ và nguyên lýđiều khiển, ta tiến hành xây dựng cấu trúc điều khiển vector cho động cơ IPM

5 Nhược điểm của loại động cơ này nằm ở những giới hạn về cấu tạo cơ khí, còn chất lượng điều khiển thì rất tốt.

6 Chúng tôi không tiếp cận được với các tài liệu gốc của các tác giả này.

17

Trang 22

1.3.2 Cấu trúc điều khiển vector động cơ IPM cho ô tô điện iMiEV

Trong phần này, cấu trúc điều khiển vector thông thường như trên Hình 1.6 được

sử dụng Hệ thống được biểu diễn thành ba nhóm như sau:

• Nhóm các phần tử vật lý thực tế (Power plant) gồm (i) đối tượng cần được điều khiển

là động cơ IPM truyền động cho ô tô điện được cấp điện bởi bộ nghịch lưu ba phanguồn áp (Inverter) và (ii) các cảm biến và mạch xử lý tín hiệu để cung cấp tín hiệuphản hồi

• Nhóm thuật toán điều khiển (Algorithms) bao gồm các khối tính toán và điều khiểnđược thực hiện trên bộ xử lý tín hiệu số.7

• Nhóm các phần tử có vai trò kết nối (Interface) giữa hai nhóm trên; đó chính là cáckhâu trích mẫu (S&H) tín hiệu phản hồi và các mạch cách ly và khuếch đại công suấtxung điều khiển (Drivers)

Động cơ được cấp nguồn từ bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp với điện áp một chiều

DC link được lấy từ ắc quy ô tô hoặc được chỉnh lưu từ điện áp lưới, tùy theo các yêu cầuthử nghiệm Động cơ có gắn resolver để đưa ra thông tin về vị trí góc θecủa rotor Tín hiệuresolver đưa về là sin θe và cos θe được mang bằng sóng sin 10 kHz Để có thể sử dụngđược tín hiệu góc θ, một mạch giải điều chế (demodulation) được dùng để tách các hàmsin θe và cos θe ra khỏi sóng mang tần số cao

Khâu tạo giá trị đặt của dòng điện (Current Commands Generator) có đầu vào làlượng đặt mômen lấy từ chân ga điện tử của ô tô, đầu ra là các lượng đặt dòng điện i∗d và

i∗q Các thuật toán điều khiển cực đại tỷ số mômen trên dòng điện và/hoặc giảm từ thông

có thể được triển khai trong khâu này Với phương pháp điều khiển vector thông thườngcho PMSM nói chung, do động cơ đã có nam châm vĩnh cửu tạo từ thông nên ta thườngđặt i∗q tỷ lệ với mômen đặt và i∗d = 0 Bộ điều khiển tách kênh dòng điện và cải tiếnchất lượng đáp ứng dùng kỹ thuật quan sát nhiễu được trình bày trong Chương 2

7 Vi xử lý, vi điều khiển, DSP, hoặc các bộ công cụ như LabVIEW hoặc dSPACE.

Trang 23

V P W M

LPF S&H

Current sensors

sensor

DC link

Hình 1.6: Cấu trúc điều khiển vector hệ truyền động IPMSM cho ô tô điện.

Trang 24

Chương 2

Nâng cao chất lượng điều khiển

dòng điện động cơ IPM

bậc hai

2.1.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện

Mặc dù có rất nhiều các thuật toán điều khiển dòng điện đã được nghiên cứu và pháttriển cho động cơ PMSM, bộ điều khiển tỷ lệ – tích phân (PI) vẫn là loại được sử dụngphổ biến nhất trong công nghiệp bởi tính đơn giản và hiệu quả của nó Với bộ điều khiển

PI, cũng có nhiều phương pháp thiết kế đã được nghiên cứu, từ những cách kinh điển nhưtối ưu module, tối ưu đối xứng [17], hay các phương pháp Ziegler–Nichols [25], và thậmchí là thử–sai (trial–and–error) Mỗi phương pháp này đều có những ưu và nhược điểmriêng Trong quá trình làm việc thực tiễn, chúng tôi nhận thấy việc sử dụng một phươngpháp thiết kế kết hợp được cả tính toán chính xác và chỉnh định thủ công (manual tuning)

là cần thiết Do đó, phương pháp thiết kế dựa trên hàm chuẩn, cụ thể ở đây là hàm củakhâu dao động bậc hai, được sử dụng.1 Quá trình thiết kế được thực hiện theo các bướcsau:

1 Bù tách kênh các thành phần tương tác chéo và sức phản điện động back–EMF trong(1.1) với cấu trúc như trên Hình 2.1 Đối tượng sau khi tách kênh trở thành hai khâuquán tính bậc nhất Chúng được điều khiển bằng bộ PI với cấu trúc tổng quát nhưsau:

Trang 25

Chương 2 Nâng cao chất lượng điều khiển dòng điện động cơ IPM

2 Lược giản các đối tượng điều khiển mỗi trục d và q bao gồm các cảm biến dòng điện,

bộ nghịch lưu, và dây quấn động cơ thành các khâu dao động bậc hai như sau:

Gplant = Ginv(s).Gsensor(s).Gid(iq)(s)

3 Loại bỏ các điểm cực lớn (dominant poles), thường là các hằng số thời gian điện,bằng một tỷ số phù hợp giữa hệ số Kp và Ki của bộ điều khiển PI Ở đây, ta chọn

Trang 26

Hình 2.2: Ảnh hưởng của hệ số tắt dần D tới chất lượng đáp ứng.

chuẩn Sau đây là các tính toán cụ thể để thực hiện việc này Hàm truyền hệ kín là:

Trang 27

để tránh quá điều chỉnh mà vẫn có đáp ứng đủ nhanh

2.1.2 Kết quả mô phỏng

Trong mục này, tính đúng đắn của cấu trúc điều khiển vector được kiểm chứng bằng

mô phỏng Thông số động cơ dùng cho mô hình mô phỏng được lấy từ thực nghiệm trongBảng 4.2 Kết quả mô phỏng được cho trên Hình 2.3

quan sát nhiễu (DOB)

Thiết kế bộ điều khiển dòng điện PI ở Mục 2.1.1 là một kỹ thuật tốt kết hợp được tính

ưu việt của cả phương pháp tính toán và phương pháp kinh nghiệm Tuy nhiên, phươngpháp này có những hạn chế mà một trong những vấn đề quan trọng là sự phụ thuộc của

nó vào các thông số của mô hình đối tượng Các thông số này có thể không chính xác docác sai số đo lường, nhận dạng, hoặc thậm chí thông số do nhà sản xuất cung cấp cũng

có thể thiếu chính xác Bên cạnh đó, trong quá trình hoạt động của hệ thống, các thông

số của đối tượng cũng có thể bị thay đổi, ví dụ như điện trở động cơ thay đổi khi nhiệt

độ tăng sau một thời gian vận hành Có rất nhiều các thuật toán điều khiển bền vững vàđiều khiển thích nghi đã được nghiên cứu để giải quyết vấn đề trên, đơn cử như [16] Mặc

dù các phương pháp đó cho chất lượng rất tốt nhưng việc tính toán và thực hiện thườngkhá phức tạp Chúng tôi đề xuất một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả sử dụng bộquan sát nhiễu để giải quyết vấn đề này

Trước tiên, ta cần làm rõ các khái niệm “nhiễu” Thuật ngữ tiếng Việt “nhiễu” đượcdùng để dịch cả hai thuật ngữ tiếng Anh là “disturbance” và “noise” Nhưng trong kỹthuật điều khiển, đây là hai khái niệm rất khác nhau nên thường xảy ra sự nhầm lẫn Hailoại nhiễu này được minh họa trên Hình 2.4 “Noise” là những biến động (thường mangtính ngẫu nhiên) của tín hiệu xung quanh giá trị thực hay giá trị hữu dụng của tín hiệu

đó Loại “noise” chủ yếu trong kỹ thuật điều khiển là nhiễu đo (measurement noise) Vấn

23

Trang 28

(b) Dòng điện ba pha a − b − c của động cơ

Hình 2.3: (Mô phỏng) Các đáp ứng dòng điện của động cơ.

Trang 29

Plant Controller

Hình 2.4: Hai loại nhiễu trong hệ điều khiển: disturbance và noise.

đề chủ yếu xoay quanh “noise” là lọc nhiễu Khác với đó, “disturbance” là những yếu tốtác động vào trạng thái làm việc của hệ thống điều khiển mà ta không điều khiển đượcnhững yếu tố đó Nhiễu loại “disturbance” có thể là đo được hoặc không đo được Ví dụ,trong một hệ điều khiển tốc độ của động cơ thì mômen tải (Tload) chính là một loại nhiễukhông đo được; còn trong một hệ điều khiển điện áp cho bộ biến đổi điện tử công suất(power converter) thì dòng điện tải (iload) là một loại nhiễu đo được Vấn đề xoay quanh

“disturbance” là loại bỏ (giảm thiểu) ảnh hưởng của nhiễu (disturbance cancellation) Việcnày có thể được thực hiện bằng cách thiết kế các bộ điều khiển có đặc điểm bền vững vớinhiễu (ví dụ PI) và/hoặc các bộ bù ảnh hưởng của nhiễu “Nhiễu” trong mục này chính

là “disturbance” và là loại không đo được, do vậy ta đặt ra vấn đề “quan sát nhiễu” để lấy

ra thông tin về nó

2.2.1 Bộ quan sát nhiễu

Ban đầu, kỹ thuật quan sát nhiễu (Disturbance Observer – DOB), hay còn gọi là bùnhiễu (Disturbance Compensation) được sử dụng trong lĩnh vực điều khiển chuyển động,đặc biệt là điều khiển robot, để bù nhiễu tải [18, 19, 26] Ý tưởng chính của thuật toánđược minh họa trên Hình 2.5 và có thể được diễn giải như dưới đây

Đầu ra y của hệ được đưa qua mô hình ngược Pn−1 của đối tượng P và sau đó đượcđem so sánh với tín hiệu điều khiển u để lấy thông tin về nhiễu tải tác động Ở đây, Pnlà

mô hình của đối tượng với các tham số danh định, trong đó n là ký hiệu cho “nominal”.Tuy nhiên, trong thực tế, ta không thể thực hiện trực tiếp phương pháp này Nguyênnhân có thể được diễn giải theo hai cách tiếp cận:

• Trên phương diện lý thuyết điều khiển, mô hình ngược của một đối tượng thực làkhông nhân quả (non-causal) do có bậc của tử số lớn hơn bậc của mẫu số (xét với

Trang 30

LPF LPF

Disturbance Observer

Hình 2.5: Nguyên lý của bộ quan sát nhiễu DOB.

bộ LPF và Pn−1 được khoanh lại trong đường nét đứt màu đỏ trên Hình 2.5 Do bộ lọcthông thấp có đặc tính tự nhiên là gây trễ, ta dùng thêm một bộ lọc nữa ở phía tín hiệuđiều khiển u để cân bằng độ trễ này

Tác dụng của khâu quan sát nhiễu không chỉ là loại bỏ nhiễu tải mà còn có khả nănggiảm thiểu ảnh hưởng của sai lệch thông số mô hình Nói cách khác, với một quan điểm

mở rộng, ta có thể coi sai lệch và biến thiên thông số mô hình cũng là một loại nhiễu cóthể quan sát và bù Do đó, chúng tôi đề xuất cấu trúc sử dụng bộ quan sát nhiễu cho haivòng điều khiển dòng điện của động cơ IPM được trình bày chi tiết trong tiểu mục tiếptheo

2.2.2 Cấu trúc điều khiển dòng điện sử dụng bộ quan sát nhiễu

Cấu trúc của vòng điều khiển dòng điện sử dụng bộ quan sát nhiễu được cho trênHình 2.6(a) Các khối có hàm truyền (màu vàng) là mô hình đối tượng cần điều khiển,bao gồm bộ nghịch lưu, các cảm biến dòng điện, thành phần động học dòng điện củađộng cơ, các thành phần tương tác chéo và sức phản điện động Hai khối PI là các bộđiều khiển PI thông thường Khâu bù tách kênh được đưa vào thực hiện trong khâu quansát nhiễu

Khâu quan sát nhiễu có đầu vào là các dòng điện id và iq, các lượng đặt điện áp u∗d và

u∗q, và tốc độ rotor ωr để bù tách kênh Đầu ra của khâu quan sát nhiễu là các lượng điện

áp ∆u∗d và ∆u∗q để cộng vào lượng đặt u∗d và u∗q

Cấu trúc chi tiết của bộ quan sát nhiễu được cho trong Hình 2.6(b) Ở mỗi nhánh d

Trang 31

DisturbanceObserver

K

1

sensor sensor

K

1

sensor sensor

K

1

inv inv

3rd order low-pass filter

Filtered inverse plant model

p

 1 1

inv inv LFP

(b) Cấu trúc chi tiết của bộ quan sát nhiễu cho vòng điều khiển dòng điện

Hình 2.6: Cấu trúc đề xuất của bộ điều khiển dòng điện sử dụng bộ quan sát nhiễu.

27

Trang 32

và q có ba hàm truyền ngược của bộ nghịch lưu, cảm biến dòng điện, và động học dòngđiện như sau:

Do khâu lọc thông thấp bậc nhất được sử dụng ba lần để cân bằng với mô hình ngượccủa đối tượng nên một khâu lọc thông thấp bậc ba 1/(sTLP F + 1)3 sẽ được sử dụng đểlàm trễ tín hiệu điều khiển u∗d và u∗q như ta thấy trên Hình 2.6(b) Khâu bù tách kênhvẫn được thực hiện như với bộ điều khiển PI thông thường

2.2.3 Kết quả mô phỏng

Hình 2.7 là kết quả mô phỏng kiểm chứng hiệu quả của việc sử dụng bộ quan sát nhiễunhằm nâng cao chất lượng đáp ứng dòng điện Hằng số thời gian của bộ lọc thông thấpLPF được chọn bằng với chu kỳ điều khiển và chu kỳ PWM và bằng 10−4 giây Việc cácnhấp nhô dòng điện (current ripples) được giảm thiểu chứng minh hiệu quả của phươngpháp

Trang 33

(d) Đáp ứng dòng điện i q khi sử dụng bộ quan sát nhiễu

Hình 2.7: (Mô phỏng) Đáp ứng dòng điện khi không sử dụng và có sử dụng bộ quan sát nhiễu.

29

Trang 34

Chương 3

Mô hình thống nhất của

hệ truyền động với phương pháp

“biểu diễn vĩ mô năng lượng” EMR

Sau khi hoàn thiện hệ điều khiển truyền động điện, vấn đề đặt ra tiếp theo là ta cầnnghiên cứu hệ truyền động của xe như một chỉnh thể thống nhất từ nguồn năng lượng,qua hệ truyền động điện, đến hệ thống cơ khí và tải của xe ô tô Mô hình hóa một hệ thốngnhất gồm nhiều tương tác vật lý như vậy là một thách thức, có thể được tiếp cận theonhiều cách khác nhau Phương pháp “biểu diễn vĩ mô năng lượng” (Energetic MacroscopicRepresentation – EMR) là một công cụ mạnh cho phép giải quyết vấn đề này.1

Phương pháp được đưa ra vào năm 2000, sau đó liên tục được phát triển và ứng dụngvào một loạt các nghiên cứu về những hệ đa vật lý (multiphysics) [1, 2, 4–11, 30] EMR đã

tỏ ra hữu dụng với nhiều đối tượng nghiên cứu khác nhau, đặc biệt là các hệ thống cótương tác nhiều thành phần vật lý như: điện gió [8], quá trình điện hóa [4, 7] và đặc biệt

là hệ thống trao đổi năng lượng trong ô tô điện [1, 2] Trong lĩnh vực ô tô điện, các tácgiả công bố những bài báo từ vấn đề nhỏ như mô hình hóa động cơ, hệ truyền động [9],đến phương thức tổng hợp chỉnh thể một cách cơ bản [5, 6, 30] hay tổng quát hóa [10].EMR được xây dựng dựa trên các nguyên lý nền tảng sau đây

• Nguyên lý tương tác (Interaction principle): Các phần tử trong hệ thống liên kếthai chiều với nhau dựa trên nguyên lý “tác động” (action) và “phản ứng” (reaction).Tích giữa giá trị đại lượng tác động và phản ứng là năng lượng trao đổi giữa cácphần tử

• Nguyên lý nhân quả (Causality principle): Tính nhân quả tích phân được sử dụngtrong phương pháp, điều này thể hiện trong phần tử tích lũy (accumulation element)diễn tả mối quan hệ phụ thuộc vào thời gian giữa các biến (cụ thể ở đây, các biến

1 Đây là một phương pháp có tư tưởng và lý luận sâu sắc Việc trình bày chi tiết về phương pháp này, do đó, khá dài và nằm ngoài phạm vi của luận văn, nó có thể được tìm thấy trong [21].

Trang 35

Chương 3 Mô hình thống nhất của hệ truyền động với phương pháp “biểu diễn vĩ mô năng lượng” EMR

(a) Phần tử nguồn / môi trường (b) Phần tử tích lỹ năng lượng

(có động học)

(c) Phần tử biến đổi đơn dạng vật lý (d) Phần tử biến đổi đa dạng vật lý

(monophysics conversion) (multiphysics conversion)

(e) Phần tử kết nối đơn dạng vật lý (f) Phần tử kết nối đa dạng vật lý

(monophysics coupling) (multiphysics coupling)

Hình 3.1: Các phần tử cơ bản của EMR.

31

Trang 36

đầu ra là tích phân của các biến đầu vào) Tất cả các loại phần tử còn lại của phươngpháp đều dành cho mô tả các mối quan hệ không có sự phụ thuộc vào thời gian

• Nguyên lý nghịch đảo (Inversion principle): Với mong muốn thu được giá trị đạilượng đặt vào từ đầu ra mong muốn, cấu trúc điều khiển của hệ thống xem như môhình nghịch đảo từng phần tử Có hai loại mô hình nghịch đảo, phụ thuộc vào phần

tử EMR:

– Mô hình nghịch đảo trực tiếp: áp dụng khi phần tử EMR không có tính tích lũy.– Mô hình nghịch đảo gián tiếp: áp dụng khi phần tử EMR có tính tích lũy (vi-tíchphân - như đã phân tích), trong trường hợp này, tín hiệu đầu vào cần thêm cácđại lượng đo lường từ hệ thống, có thể sử dụng bộ điều khiển kinh điển (ví dụnhư PID) trong hệ phản hồi vòng kín thông thường

Hình 3.1 trình bày các phần tử cơ bản trong phương pháp EMR Như một chú ý nhỏkhi đọc mô hình EMR, ngoài việc phân biệt phần tử theo chức năng năng lượng như dướiđây, có một quy ước biểu tượng (pictogram) chung Quy ước này chỉ ra rằng một phần tử

mô hình hóa một quá trình chuyển đổi năng lượng trong một dạng vật lý (mono-physical)

sẽ có hình vuông, mặt khác, phần tử mô hình hóa một quá trình chuyển đổi năng lượnggiữa các dạng vật lý khác nhau (multi-physical) sẽ được thể hiện bằng hình tròn

• Nguồn năng lượng / môi trường (energy source / environment): Các phần tửthuộc dạng này được coi là các điểm đầu cuối của hệ thống (Hình 3.1(a))

• Phần tử chuyển đổi (Conversion element): Năng lượng đi qua phần tử này đượcbảo toàn Phần tử này cho phép việc chuyển hóa năng lượng trong một dạng vật lýhay giữa các dạng vật lý với nhau (Hình 3.1(c) và 3.1(d))

• Phần tử liên kết (Coupling element): Đây là một dạng của phần tử chuyển đổi, chỉkhác ở điểm, với phần tử phân tán, luồng năng lượng có thể được phân chia thànhnhiều hướng (Hình 3.1(e) và 3.1(f))

• Phần tử tích lũy (Accumulation element): Dạng phần tử cho phép năng lượngtrong hệ được tích lũy (Hình 3.1(b))

Trong mục tiếp theo, chúng tôi xây dựng mô hình biểu diễn EMR của hệ truyền động

ô tô điện Mục tiếp nữa là một đề xuất về biểu diễn EMR của tương tác lốp xe – mặtđường phục vụ cho điều khiển chuyển động của xe

EMR

Cấu hình tổng quát của xe ô tô điện sử dụng trong chương này được cho trên Hình 3.2

Hệ truyền động động cơ IPM (nghiên cứu trong hai chương trước) được cấp nguồn điệnmột chiều từ ắc quy Li-ion Trục của động cơ được nối với hệ thống giảm tốc (gear) và

vi sai để truyền động cho xe Việc xây dựng mô hình động lực học của xe trong luận vănnày được giới hạn ở động lực học dọc trục thân xe (longitutional dynamics) Việc xâydựng mô hình EMR của hệ thống được trình bày trong các mục sau đây

Trang 37

Road Chassis

Hình 3.2: Cấu hình tổng quát của hệ truyền động.

Hình 3.3: Mô hình ắc quy và nghịch lưu.

3.2.1 Ắc quy và nghịch lưu nguồn áp ba pha

Ở đây, bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha thông thường được sử dụng Điện áp ra là mộthàm của điện áp một chiều DC link Vdc và các hàm điều chế Sa, Sb, và Sc:

Trang 38

emT

dqi

dq

ee

Phương trình sức phản điện động (3.4) và mô hình điện từ (quan hệ sinh mômen) củađộng cơ (1.2) tạo ra một biến đổi năng lượng điện từ và được biểu diễn thành hình trònnhư trên hình vẽ

Phần tử tích lũy năng lượng kế tiếp biểu diễn động lực học cơ khí của trục động cơtheo quan hệ (1.3) Cuối cùng, bộ giảm tốc (gear box) được biểu diễn bằng một bộ chuyểnđổi đơn dạng vật lý với quan hệ như sau:

trong đó kgear tỷ số truyền, ωwh là tốc độ góc của bánh xe, ωr là tốc độ góc của trục động

cơ (rotor), Tl là mômen tải trên trục động cơ, và Twh là mômen trên bánh xe

3.2.3 Mô hình biểu diễn bánh xe truyền thống

Mô hình biểu diễn bánh xe truyền thống (ví dụ như [5]) là một khâu chuyển đổi tuyếntính phi động lực (non-dynamic) trong đó bánh xe được xem như đơn giản là một hìnhtrụ tròn với phương trình:

trong đó Ft là lực truyền động làm xe chạy Do đó, nó được biểu diễn như trên Hình 3.5

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	12,73 MB