Điều khiển động cơ PMSM

Động cơ PMSM được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp bởi các ưu điểm vượt trội so với các động cơ khác đó là hiệu suất cao, mật độ công suất cao, có vùng công suất không đổi lớn. Để đạt được hiệu suất cao trong điều khiển hướng từ thông thì thông tin chính xác về vị trí rotor, thường được đo bằng các các bộ bộ mã hóa và các bộ phân tích là không thể thiếu. Tuy nhiên, việc sử dụng các cảm biến sẽ làm tăng giá thành, kích thước, khối lượng và làm phức tạp hệ thống dây điện và sẽ giảm đi sức mạnh động cơ và giảm độ tin cậy của toàn hệ thống truyền động PMSM. Các hệ thống điều khiển động cơ PMSM không cảm biến được đề xuất để giảm thiểu nhược điểm của phương pháp điều khiển có cảm biến và đã thu được nhiều kết quả tích cực. Trong vấn đề điều khiển các hệ thống truyền động yêu cầu cần phải sử dụng các động cơ điều khiển song song nhiều động cơ có vận tốc giống nhau cùng phối hợp hoạt động như các hệ thống băng chuyền. Việc điều khiển các động cơ bởi các bộ điều khiển khác nhau gây ra nhiều trở ngại trong vấn đề phối hợp điều khiển, sự phức tạp phần cứng tăng cao, tăng giá thành sản phẩm. Giải pháp được đề xuất là đề xuất một bộ điều khiển có khả năng điều khiển cùng lúc hai hay nhiều động cơ. Luận văn đề xuất giải pháp điều khiển song song hai động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) từ một bộ điều khiển TMS320F28035.

i

TÓM TẮT

Động cơ PMSM được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp bởi các ưu điểm vượt trội so với các động cơ khác đó là hiệu suất cao, mật độ công suất cao, có vùng công suất không đổi lớn Để đạt được hiệu suất cao trong điều khiển hướng từ thông thì thông tin chính xác về vị trí rotor, thường được đo bằng các các

bộ bộ mã hóa và các bộ phân tích là không thể thiếu Tuy nhiên, việc sử dụng các cảm biến sẽ làm tăng giá thành, kích thước, khối lượng và làm phức tạp hệ thống dây điện và sẽ giảm đi sức mạnh động cơ và giảm độ tin cậy của toàn hệ thống truyền động PMSM Các hệ thống điều khiển động cơ PMSM không cảm biến được

đề xuất để giảm thiểu nhược điểm của phương pháp điều khiển có cảm biến và đã thu được nhiều kết quả tích cực

Trong vấn đề điều khiển các hệ thống truyền động yêu cầu cần phải sử dụng các động cơ điều khiển song song nhiều động cơ có vận tốc giống nhau cùng phối hợp hoạt động như các hệ thống băng chuyền Việc điều khiển các động cơ bởi các

bộ điều khiển khác nhau gây ra nhiều trở ngại trong vấn đề phối hợp điều khiển, sự phức tạp phần cứng tăng cao, tăng giá thành sản phẩm Giải pháp được đề xuất là đề xuất một bộ điều khiển có khả năng điều khiển cùng lúc hai hay nhiều động cơ Luận văn đề xuất giải pháp điều khiển song song hai động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) từ một bộ điều khiển TMS320F28035

Trong luận văn hai động cơ PMSM được điều khiển cùng lúc bằng card điều khiển TMS320F28035 bằng phương pháp điều khiển không cảm biến dựa trên hướng từ thông (FOC) Luận văn trình bày các vấn đề sau:

- Các lý thuyết cơ bản trong nguyên lý điều khiển động cơ theo phương pháp FOC

- Nguyên tắc xây dựng từng phần các khối phần mềm trong điều khiển FOC

- Nguyên tắc điều khiển cùng lúc hai động cơ PMSM

- Kết quả thực nghiệm trên mô hình

ABSTRACT

Permanent-magnet synchronous machines (PMSMs) are widely used in industrial applications owing to their distinctive advantages, such as high efficiency, high power density, and wide constant power region To achieve high-performance field oriented control, accurate rotor position information, which is usually measured by rotary encoders or resolvers, is indispensable However, the use of these sensors increases the cost, size, weight, and wiring complexity and reduces the mechanical robustness and the reliability of the overall PMSM drive systems Sensorless PMSM drive systems were proposed to reduce disadvantage of sensored PMSM drive systems

Currently, there are some electric drive systems required some motor were drived with the same speed for cooperating together such as conveyor belt Each motor with individual controller content complex controlling, more components, increasing cost An approach was proposed to overcome this problem is use a controller which can drive multiple PMSM simultaneously This thesis proposed a approach driving multiple PMSM simultaneously based on TMS320F28035 controller card

Digital vector control algorithms were known as field orientated control (FOC) was applied in this thesis The thesis covers the following:

- A theoretical background on field oriented motor control principle

- Incremental build levels based on modular software blocks

- Principle to control multiple PMSM simultaneously

- Experimental results

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined.

TÓM TẮT i

MỤC LỤC iii

MỤC LỤC CÁC HÌNH vi

GIỚI THIỆU 1

I Đặt vấn đề 1

II Mục tiêu của luận văn 2

III Nhiệm vụ của luận văn 3

IV Phạm vi nghiên cứu 3

V Phương pháp nghiên cứu 4

VI Điểm mới của luận văn 4

VII Giá trị thực tiễn của đề tài 4

VIII Nội dung luận văn 5

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐỘNG CƠ PMSM 7

1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM 7

1.2 Phân loại PMSM 7

1.3 Ứng dụng truyền động của PMSM 9

1.4 Vật liệu làm nam châm vĩnh cửu 11

1.5 Phương trình toán của PMSM 12

1.5.1 Phương trình toán trong miền pha abc 12

1.5.2 Phương trình trong hệ tọa độ trực giao dq0 17

1.6 Các phương pháp điều khiển vận tốc PMSM cơ bản 19

1.6.1 Phương pháp điều khiển theo V/f 19

1.6.2 Phương pháp điều khiển mô men và vận tốc vòng kín 21

1.7 Vấn đề loại bỏ cảm biến vị trí rotor 22

1.8 Hướng nghiên cứu của luận văn 23

Chương 2: ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC PMSM KHÔNG CẢM BIẾN 25

2.1 Kỹ thuật ước lượng vị trí/vận tốc rotor cho PMSM 25

2.1.1 Phương pháp cảm biến vị trí gián tiếp 26

2.1.2 Phương pháp dựa trên mô hình 28

2.1.2.1 Mô hình động của PMSM thường gặp 29

2.1.2.2 Tính toán vòng hở 30

2.1.2.3 Bộ quan sát vòng kín 34

2.2 Phương pháp điều khiển PMSM dựa trên hướng từ thông 37

2.2.1 Biến đổi Clark 38

2.2.2 Biến đổi Park 39

2.2.3 Điều khiển PI 39

2.2.4 Biến đổi Park ngược 40

2.2.5 Biến đổi Clark ngược 40

2.2.6 Điều chế vector không gian 41

2.3 Phương pháp điều khiển FOC không cảm biến 42

2.3.1 Nguyên lý điều khiển FOC không cảm biến 42

2.3.2 Nguyên lý làm việc của bộ quan sát chế độ trượt 44

2.4 Điều khiển đồng thời nhiều PMSM 49

Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 51

3.1 Tổng quan bộ điều khiển PMSM 51

3.2 Board công suất và thiết bị ngoại vi 52

3.3 Động cơ PMSM 55

3.4 Card điều khiển TMS320F28035 56

3.5 Sơ đồ khối chương trình thực nghiệm 59

3.6 Mô hình chương trình nhúng trên phần mềm Matlab 59

Chương 4: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN PMSM 61

4.1 Kết quả thực nghiệm trên động cơ PMSM 1 61

4.1.1 Vận tốc động cơ 600 rpm 61

4.1.2 Vận tốc động cơ 800 rpm 61

v

4.1.3 Vận tốc động cơ 1000 rpm 62

4.1.4 Vận tốc động cơ thay đổi 63

4.2 Kết quả thực nghiệm trên động cơ PMSM 2 64

4.2.1 Vận tốc động cơ 600 rpm 64

4.2.2 Vận tốc động cơ 800 rpm 65

4.2.3 Vận tốc động cơ 1000 rpm 66

4.2.4 Vận tốc động cơ thay đổi 67

4.3 Thay đổi vận tốc PMSM 1 khi vận tốc PMSM 2 cố định 68

4.4 Thay đổi vận tốc PMSM 2 khi vận tốc PMSM 1 cố định 70

4.5 Thay đổi vận tốc đồng thời cả hai PMSM 71

4.7 Nhận xét kết quả mô phỏng 74

4.8 Kết luận và hướng phát triển đề tài 74

4.8.1 Kết luận 74

4.8.2 Hướng phát triển 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

MỤC LỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1 Động cơ PMSM 7

Hình 1 2 Minh họa các kiểu PMSM cơ bản: SPMSM và IPMSM 8

Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý của WECS biến đổi công suất toàn bộ dùng PMSM 10

Hình 1 4 Mô hình tương đương cơ khí và điện của PMSM 12

Hình 1 5 Ý tưởng tự động bộ cho PMSM dựa trên hồi tiếp vị trí rotor 19

Hình 1 6 Giải pháp điều khiển V/f vòng hở có thể dùng cho IPMSM với cuộn dây rotor lồng sóc 20

Hình 1 7 phương pháp điều khiển V/f cho PMSM trong trường hợp không có cuộn dây rotor lồng sóc 21

Hình 1 8 Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển PMSM trong bộ điều khiển kết hợp mô men và vận tốc 21

Hình 1 9 Phương pháp điều khiển V/f cho PMSM không dùng cảm biến vị trí góc rotor 23

Hình 1 10 Nguyên lý điều khiển vận tốc và mô men cho PMSM loại bỏ cảm biến vị trí góc rotor 23

Hình 2 1 Mô tả ba phương pháp chính để tính toán thông tin vị trí rotor không dùng cảm biến vị trí 26

Hình 2 2 Mối liên hệ giữa tín hiệu điều khiển và EMF ngược trong [39] 27

Hình 2 3 Phân bố thực tế của thành phần cơ bản và hài bậc ba mật độ từ thông khe hở không khí trong máy điện cảm ứng hoạt động tại tốc độ định mức 27

Hình 2 4 Định nghĩa các hệ quy chiếu cho mô hình PMSM 29

Hình 2 5 Mô tả một bộ quan sát vòng kín cho ước lượng vị trí rotor 34

Hình 2 6 Mô tả bộ quan sát tuyến tính và bộ quan sát phi tuyến 36

Hình 2 7 Sơ đồ khối điều khiển PMSM dựa trên hướng từ thông 38

Hình 2 8 Biến đổi Clark 39

Hình 2 9 Biến đổi Park 39

Hình 2 10 Nguyên tắc hoạt động trong khối điều chỉnh PI 40

Hình 2 11 Chuyển đổi Park ngược 40

vii

Hình 2 12 Biến đổi Clark ngược 41

Hình 2 13 Điều chế vector không gian 42

Hình 2 14 Trung bình của điều chế vector không gian 42

Hình 2 15 Nguyên lý điều khiển PMSM có cảm biến dựa trên FOC 43

Hình 2 16 Nguyên lý điều khiển PMSM không cảm biến dựa trên FOC 44

Hình 2 17 Mối liên hệ giữa vị trí góc rotor và sức điện động ngược của động cơ 45

Hình 2 18 Sơ đồ tương động cơ PMSM trên từng pha 45

Hình 2 19 Nguyên lý hoạt động của bộ quan sát chế độ trượt 47

Hình 2 20 Nguyên lý ươc lượng vị trí góc rotor 47

Hình 2 21 Nguyên tắc ước lượng vị trí và vận tốc rotor 48

Hình 2 22 Nguyên lý hoạt động của bộ SMC 49

Hình 2 23 Mô hình điều khiển đồng thời hai động cơ PMSM 50

Hình 3 1 Tổng quan mô hình điều khiển đồng thời hai PMSM 52

Hình 3 2 Bố trí linh kiện, thiết bị trên board mạch chính 54

Hình 3 3 Động cơ PMSM được dùng trong mô phỏng 55

Hình 3 4 Hình ảnh card điều khiển TMS320F28035 57

Hình 3 5 Sơ đồ khối xây dựng hệ thống điều khiển PMSMError! Bookmark not defined Hình 3 6 Sơ đồ khối phần nhúng cho TMS320F28035 từ MatLab/Simulink 60

Hình 4 1 Vận tốc động cơ PMSM 1 tại 600 rpm 61

Hình 4 2 Vận tốc động cơ PMSM 1 tại 800 rpm 62

Hình 4 3 Vận tốc động cơ PMSM 1 tại 1000 rpm 63

Hình 4 4 Vận tốc động cơ PMSM 1 tại 800-600-1000-800-600 rpm 64

Hình 4 5 Vận tốc động cơ PMSM 2 tại 600 rpm 65

Hình 4 6 Vận tốc động cơ PMSM 2 tại 800 rpm 66

Hình 4 7 Vận tốc động cơ PMSM 2 tại 1000 rpm 67

Hình 4 8 Vận tốc động cơ PMSM 1 tại 800-600-1000-800-600 rpm 68

Hình 4 9 Vận tốc PMSM 1 thay đổi và PMSM 2 cố định 69

Hình 4 10 Vận tốc PMSM 2 thay đổi và PMSM 1 cố định 71

Hình 4 11 Vận tốc hai PMSM cùng thay đổi 72

Hình 4 12 Vị trí rotor ƣớc lƣợng đƣợc 73

Hình 4 13 Vận tốc rotor ƣớc lƣợng 73

Hình 4 14 Mô men động cơ 73

Hình 4 15 Dòng điện trên ba pha của động cơ 73

Hình 4 16 Dòng điện stator trong tọa độ dq 73

GIỚI THIỆU

I Đặt vấn đề

Do có nhiều thuận lợi trong điều khiển vận tốc và mô men, hệ thống truyền động máy điện DC đã được ưu tiên ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau trong hơn 100 năm qua Trong 30 năm trở lại đây, với sự phát triển của điện tử công suất, bộ điều khiển số (digital signal processor-DSP) và công nghệ thiết kế có sự hỗ trợ

từ máy tính, các bộ điều khiển động cơ AC [1-3] đã dần thay thế các bộ điều khiển động cơ DC và có vai trò ngày càng quan trọng trong các ứng dụng điều khiển tần số thay đổi Hiện tại, các kiểu khác nhau của điều khiển AC dùng trong máy điện cảm ứng (induction machines-IM), động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (permanent magnet synchronous machines-PMSM), động cơ từ trở chuyển mạch (switched reluctance machines-SRM) được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp

Trong số các bộ truyền động động cơ AC, hệ thống điều khiển PMSM được dùng nhiều nhất, chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như là thiết bị trong nhà [4], hệ thống xe điện [5], và hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (wind energy conversion systems-WECS) [6], bởi các ưu điểm vượt trội là hiệu suất cao, mật độ công suất lớn và vùng hằng số công suất rộng Với việc giảm giá liên tục của các vật liệu nam châm vĩnh cửu và sự phát triển của công nghệ điều khiển, truyền động PMSM càng trở nên hấp dẫn và cạnh tranh so với các động cơ khác [7] Ngoài ra, do các vấn

đề toàn cầu về ô nhiễm môi trường và an ninh năng lượng ngày càng được quan tâm chú ý, các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió và các xe chạy điện nhận được nhiều sự quan tâm cả trong học thuật và trong ứng dụng tại các công ty sản xuất Đây là một thị trường rộng lớn cho công nghệ điều khiển PMSM

Trong điều khiển PMSM có cảm biến, việc sử dụng các cảm biến sẽ làm tăng giá thành, kích thước, khối lượng và làm phức tạp hệ thống dây điện và sẽ giảm đi sức mạnh động cơ và giảm độ tin cậy của toàn hệ thống truyền động PMSM Đây là một trở ngại không nhỏ trong việc ứng dụng PMSM vào trong sản xuất và đời sống Để giải quyết các vấn đề phát sinh do sử dụng cảm biến gây ra, các hệ thống điều khiển động

cơ PMSM không cảm biến được đề xuất và đã thu được nhiều kết quả tích cực qua các nghiên cứu [8-12]

Ngoài ra, trong vấn đề truyền động điện, nhiều ứng dụng yêu cầu phải có hai hay nhiều động cơ hoạt động với cùng một mức vận tốc như trong các ứng dụng băng chuyền, các dây chuyền sản xuất thép… điều này đòi hỏi phải có sự điều khiển phối hợp giữa các động cơ PMSM với nhau Chính điều này nên luận văn tập trung vào việc điều khiển hai PMSM cùng lúc bằng phương pháp điều khiển dựa trên hướng từ thông nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống và giải quyết vấn đề đa điều khiển trong các bộ điều khiển hiện đại

II Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu nghiên cứu trong luận văn là phát triển hệ thống điều khiển không cảm biến vị trí/vận tốc rotor có thể thay thế cho các hệ thống điều khiển có cảm biến cho các động cơ PMSM trong toàn bộ dãy hoạt động Điều khiển không cảm biến cung cấp một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề phát sinh trong việc dùng các cảm biến vị trí cơ cấu cơ điện tử trong hệ thống điều khiển PMSM Đầu tiên, nó cung cấp giải pháp thay thế cho điều khiển có cảm biến hiện tại cho PMSM với việc giảm chi phí, kích thước, khối lượng và sự phức tạp phần cứng Thứ hai, nó có thể được sử dụng như là một bổ sung (sao lưu) trong các hệ thống điều khiển dựa trên cảm biến Khi các cảm biến gặp sự cố, điều khiển không cảm biến đảm bảo rằng hệ thống điều khiển PMSM

có thể tiếp tục hoạt động một cách chính xác Điều này giúp tránh cho việc hỏng hóc các thiết bị khác bởi sự hư hỏng cảm biến và hệ thống điều khiển Cuối cùng, vị trí và vận tốc rotor được tính toán và các biến trạng thái khác của PMSM có thể được dùng

để giám sát các điều kiện các cảm biến cơ điện và các thành phần khác của PMSM Giúp giảm tỉ lệ và mức độ hư hỏng, tiết kiệm chi phí bảo trì và cải thiện độ tin cậy của

hệ thống điều khiển PMSM

Để thực hiện được mục tiêu trên, mục tiêu chính của luận văn được đưa ra như sau:

- Đề xuất giải thuật có thể áp dụng để điều khiển vận tốc động cơ PMSM trong một dãy công suất rộng Công việc này giúp nâng cao hiệu quả làm việc của động cơ

- Sử dụng các phương pháp số hóa khác nhau để thực nghiệm điều khiển động

cơ PMSM trong các bộ điều khiển số

- Thực nghiệm điều khiển động cơ PMSM để đánh giá hiệu quả hoạt động của phương pháp điều khiển động cơ PMSM được đề xuất

- Thực nghiệm điều khiển động cơ PMSM để đánh giá hiệu quả điều khiển cùng lúc hai động cơ PMSM

III Nhiệm vụ của luận văn

Luận văn “Điều khiển động cơ PMSM không cảm biến” có những nội dung chính như sau:

- Tìm hiểu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu qua ứng dụng cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phương trình toán học tương đương của PMSM

- Tìm hiểu tổng quan về các phương pháp điều khiển vận tốc PMSM hiện nay

- Nghiên cứu về phương pháp điều khiển trượt và áp dụng phương pháp điều khiển trượt trong điều khiển vận tốc PMSM

- Nghiên cứu về Board điều khiển Dual Motor Control and PFC Developer's Kit

và Card điều khiển Piccolo TMX320F28035 trong điều khiển PMSM

- Thực nghiệm điều khiển động PMSM bằng phương pháp điều khiển FOC với

bộ quan sát theo chế độ trượt bằng nhiều phương pháp điều khiển số khác nhau

- Đánh giá kết quả đạt được qua các phương pháp điều khiển số khác nhau đã thực nghiệm

IV Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt động của động cơ PMSM

- Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển PMSM

- Sử dụng bộ kit chuyên dụng của TI để điều khiển PMSM theo phương pháp điều khiển FOC với bộ quan sát theo chế độ trượt

- Sử dụng bộ kit chuyên dụng của TI để điều khiển PMSM theo phương pháp điều khiển FOC với việc điều khiển cùng lúc hai động cơ PMSM

V Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và mô hình toán PMSM

- Nghiên cứu các giải thuật điều khiển PMSM

- Nghiên cứu lập trình C cho card điều khiển DSP trong điều khiển động cơ PMSM

- Nghiên cứu vấn đề điều khiển song song hai động cơ PMSM trên cùng một bộ điều khiển

- Ghi nhận kết quả sau mô phỏng và đánh giá kết quả

VI Điểm mới của luận văn

Luận văn đã thực nghiệm thành công việc điều khiển vận tốc động cơ PMSM theo phương pháp trượt Đây là tiền đề quan trọng để ứng dụng mô hình điều khiển vào thực tiễn sản xuất Với việc áp dụng phương pháp điều khiển trượt vào điều khiển vận tốc động cơ, nhược điểm giảm hiệu quả điều khiển khi có sự thay đổi vận tốc động cơ Trong quá trình thực nghiệm, kết quả thu được trong luận văn có thể áp dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển hoàn thiện đưa vào vận hành trong thực tế Đây là điểm quan trọng mà các mô hình mô phỏng không thể làm được ngay

Ngoài ra, với việc điều khiển cùng lúc hai động cơ PMSM chạy đồng thời, luận văn cung cấp một giải pháp tiết kiệm chi phí thiết bị cũng như bảo trì bảo dưỡng trong quá trình vận hành hệ thống truyền động song song trong nhiều ứng dụng công nghiệp hiện nay

VII Giá trị thực tiễn của đề tài

Luận văn đã mô phỏng trên mô hình vật lý về điều khiển PMSM, đây là kết quả quan trọng vì qua mô phỏng với một PMSM thực tế sẽ có thể thu được rất nhiều kết quả về sự ảnh hưởng của các yếu tố thực tế không được mô hình hóa hay bị bỏ qua trong việc xây dựng mô hình toán của PMSM trong mô phỏng

Qua luận văn, các phương pháp số hóa tín hiệu điều khiển được áp dụng nhằm so sánh và đưa ra khuyến nghị trong việc lựa chọn, phối hợp và áp dụng phương pháp số hóa hợp lý trong điều kiện thực tế cụ thể

Với kết quả thu được trong điều khiển PMSM bằng mô hình vật lý, kết quả thu được trong luận văn hoàn toàn có thể được ứng dụng vào thực tiễn và bán ra thị trường Đây là đóng góp lớn với xã hội nói chung khi đưa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất

Với yêu cầu tự động hóa ngày càng cao để tiết giảm chi phí, nâng cao hiệu quả hoạt động, việc điều khiển song song hai hay nhiều hơn các PMSM từ một bộ điều khiển sẽ là một yếu tố quan trọng trong giảm giá thành thiết bị, giảm tỉ lệ hư hỏng thiết

bị, giảm chi phí vận hành và bảo trì thiết bị

VIII Nội dung luận văn

Với những nội dung đã phân tích như các phần trên, nội dung luận văn được trình bày thành các chương với nội dung chính các chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về vấn đề động cơ PMSM Trong đó: bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại, mô hình toán và các phương pháp điều khiển

cơ bản trong PMSM

Chương 2: Trình bày về vấn đề điều khiển vận tốc PMSM không cảm biến Các nguyên tắc ước lượng vị trí không cảm biến và điều khiển vận tốc PMSM theo giải thuật FOC Các phân tích về mặt toán học được trình bày cụ thể về vấn đề điều khiển PMSM theo FOC

Chương 3: Trình bày cách xây dựng một mô hình thực nghiệm trong điều khiển PMSM không cảm biến Trong chương sẽ trình bày cụ thể các thiết bị, linh kiện cần thiết để có thể điều khiển PMSM

Chương 4: Trình bày kết quả thực nghiệm trong vấn đề điều khiển 2 PMSM được

đề xuất trong luận văn Trong chương này, các kết quả thu được qua thực nghiệm sẽ được đưa ra phân tích và đánh giá về hiệu quả điều khiển của phương pháp điều khiển

đa động cơ PMSM Tổng kết lại các kết quả đã đạt được trong luận văn và hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐỘNG CƠ PMSM

1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM

Máy điện nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet - PM) là máy điện được kích từ kép, chúng có hai nguồn kích từ cụ thể là phần ứng và phần thực Máy điện kích thích nguồn đôi thông thường (máy đảo chiều DC và động cơ đồng bộ), cả hai nguồn đều là các cuộn dây được nối vào nguồn điện bên ngoài Trong các máy điện PM, từ trường được tạo ra bằng các PM nên không cần dùng đến các cuộn dây và nguồn điện bên ngoài cấp cho chúng

Hình 1 1 Động cơ PMSM

Khác với các các máy điện kích từ kép truyền thống, tổn hao đồng liên quan đến

từ thông sinh ra trong cuộn dây đã không xuất hiện trong các máy điện PM, điều này giúp tăng hiệu quả của động cơ Ngoài ra, việc dùng các PM để tạo nên từ trường cho phép thiết kế nên các máy điện với kích thước nhẹ hơn và cũng nhỏ gọn hơn Mặt khác, trong máy điện PM, nam châm vĩnh cửu tạo nên vùng từ thông có thông lượng là hằng số và hầu như không thể điều khiển dễ như là các máy điện truyền thống khác bằng cách thay đổi dòng kích từ

1.2 Phân loại PMSM

Nhìn chung, phần lớn các động cơ PMSM hiện nay [13] gồm stator ở phía ngoài với các dây dẫn và một rotor có nam châm vĩnh cửu Theo cấu tạo rotor, các động cơ PMSM với một sức điện động ngược hình sine có thể được phân loại thành hai nhóm chính: PMSM cực ẩn, ví dụ PMSM có nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt rotor (SPMSM), và PMSM cực lồi, ví dụ động cơ PMSM cực chìm (IPMSM) Sự so sánh giữa hai loại động cơ PMSM này được đưa ra chi tiết trong [14, 15]

Mặt cắt ngang của SPMSM điển hình được đưa ra như trong hình 1.2a Nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của trục rotor, SPMSM có khe hở không khí phân

bố đều Thuộc tính này làm cho điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục là bằng nhau Kết quả là SPMSM chỉ tạo ra một mô men từ So với IPMSM, SPMSM gần như

bị giới hạn khả năng tạo từ thông Cấu hình rotor được gắn nam châm trên bề mặt sẽ đơn giản trong sản xuất và lắp đặt Tuy nhiên, các nam châm vĩnh cửu xuất hiện trực tiếp tại vùng phản kháng của phần ứng sẽ có nguy cơ bị từ khử Do cấu trúc rotor gắn

bề mặt, tốc độ quay của trục sẽ bị giới hạn để các nam châm vĩnh cửu tại bề mặt rotor chống lại ảnh hưởng của lực ly tâm Do đó, SPMSM thường được dùng trong các ứng dụng tốc độ thấp ví dụ như hệ thống chuyển đổi năng lượng gió và các thiết bị trong nhà

Hình 1 2 Minh họa các kiểu PMSM cơ bản: SPMSM và IPMSM

Mặt cắt ngang điển hình của một IPMSM được đưa ra như trong hình 1.2b, các nam châm được đặt phía trong lõi sắt rotor, điều này giảm thiểu đáng kể nguy cơ từ hóa của các nam châm vĩnh cửu trong quá trình hoạt động Do là rotor cực lồi, điện

cảm dọc trục và điện cảm ngang trục là khác nhau Điều này làm xuất hiện đồng thời

mô men của nam châm và mô men từ trở đều tham gia vào mô men tổng sinh ra trong động cơ IPMSM Do đó, IPMSM được dùng nhiều trong trong các hệ thống xe điện do đặc điểm giảm từ thông lớn và có khả năng sinh mô men cao

1.3 Ứng dụng truyền động của PMSM

PMSM rất được quan tâm áp dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ như hệ thống điều khiển sức kéo bằng điện (electric traction drive systems-ETDS), trong các phương tiện chạy điện và trong các máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi (WECSs), trong các ứng dụng yêu cầu mật độ công suất và năng lượng cao trong cùng điều kiện khối lượng và kích thước

Mỹ là quốc gia dẫn đầu về thị trường cho các phương tiện chạy điện tiên tiến [16]

ví dụ như các phương tiện chạy điện và phối hợp điện-xăng (electric and hybrid electric vehicles-EVs and HEVs), các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc giảm kích thước của các động cơ chạy xăng, Mỹ là nước phụ thuộc vào xăng dầu bên ngoài [16], và phát thải khí CO2 từ các phương tiện vận chuyển Khi so sánh với các hệ thống truyền động sử dụng động cơ đốt trong thông thường, các hệ thống truyền động

sử dụng điện [17-22] có công suất đỉnh cao hơn, cải thiện hiệu suất động, có đặc tính

mô men- tốc độ gần như lý tưởng, hiệu suất sử dụng năng lượng tốt hơn và giảm thiểu phát thải CO2 Tổng quát, motor động lực trong hệ thống truyền động điện được yêu cầu cung cấp một mô men xoắn lớn trong vùng tốc độ thấp (trong điều kiện khởi động)

và dãy rộng có tốc độ cao và công suất không đổi So sánh với các loại máy điện AC khác, PMSM có thể là thiết kế tốt để có một vùng vận tốc rộng hơn có công suất không đổi và hoạt động trong cả chế độ có mô men xoắn không đổi khi hoạt động dưới vận tốc cơ bản và chế độ công suất không đổi tại vận tốc trên định mức [23, 24] Hơn nữa, PMSM có mật độ công suất cao, mật độ mô men cao, hiệu suất cao, kích thước nên kích thước tổng cộng của hệ thống truyền động được giảm thiểu rất nhiều, đây là đặc điểm hấp dẫn trong ứng dụng phương tiện di chuyển Hiện nay, phương tiện chạy điện trang bị PMSM đã được sản xuất hàng loạt, ví dụ như Toyota’s Prius [25]

Tổng công suất lắp đặt điện gió đang phát triển bùng nổ trong thị trường toàn cầu Theo một báo cáo của Hiệp hội Năng lượng gió thế giới [26], lắp đặt điện gió trên toàn thế giới đã đạt 296 GW vào năm 2013 Trong số các cấu hình khác nhau của WECSs,

hệ thống WECS có tốc độ thay đổi dựa trên máy phát điện cảm ứng nguồn kép (doubly-fed induction generator-DFIG) là công nghệ chiếm ưu thế trên thị trường từ cuối những năm 1990 [27] Tuy nhiên, tình trạng này đã thay đổi trong những năm gần đây với xu hướng phát triển của WECSs với công suất lớn, chi phí thấp hơn cho mỗi

kW, tăng mật độ năng lượng, và sự cần thiết cho độ tin cậy cao hơn Ngày càng có nhiều chú ý đến hệ thống chuyển đổi trực tiếp, các khái niệm WECS không hộp số

Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý của WECS biến đổi công suất toàn bộ dùng PMSM Trong các loại máy phát điện khác nhau, PMSG đã được nhìn nhận là tốt hơn trong các ứng dụng WECS biến đổi công suất toàn bộ do ưu thế về hiệu quả sử dụng cao hơn, mật độ năng lượng cao hơn, chi phí bảo dưỡng thấp hơn, và tương thích lưới điện tốt hơn [28] Tăng độ tin cậy cũng như hiệu suất cao hơn như trong mô tả trong hình 1.3 làm cho PMSG thêm hấp dẫn với các thiết kế công suất hàng MW ngoài khơi, nơi mà các WECS được lắp đặt trong điều kiện khắc nghiệt và ít tiếp xúc với môi trường

Tăng độ tin cậy cũng như hiệu suất cao hơn làm cho PMSG dựa trên trực tiếp ổ WECSs, như thể hiện trong hình 1.3, hấp dẫn hơn trong MW đa ứng dụng ngoài khơi, nơi WECSs được cài đặt trong khắc nghiệt và ít tiếp cận môi trường bên ngoài [28] Hiện tại, nhiều hệ thống chuyển đổi năng lượng gió thương mại sử dụng PMSM đã có mặt trên thị trường, với dãy công suất từ vài trăm watt đến 6 MW [29-30] Có nhiều nhà sản xuất tham gia vào thị trường điện gió dùng PMSM như là Siemens Wind

1.4 Vật liệu làm nam châm vĩnh cửu

Nam châm vĩnh cửu là loại nam châm được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng có khả năng giữ từ tính không bị mất đi trong từ trường Đây là loại nam châm được sử dụng như những nguồn tạo từ trường Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ vật liệu, có nhiều phương pháp và chất liệu khác nhau được sử dụng để tạo nên nam châm vĩnh cửu Dưới đây là một số vật liệu được dùng chế tạo nam châm vĩnh cửu:

Ôxitsắt: đây là loại nam châm vĩnh cửu đầu tiên của con người được sử dụng từ

thời cổ đại xa xưa Chúng được sử dụng dưới dạng các “đá nam châm” Tuy nhiên ngày nay thì loại nam châm này không còn được sử dụng nữa do tính của nó rất kém

Thépcácbon: đây là loại nam châm vĩnh cửu được ra đời sau oxit sắt, được sử

dụng từ thế kỷ 18 đến giữa thế kỷ 20 Chúng có khả năng cho từ dư đến hơn 1 T, tuy nhiên loại này cũng có lực kháng từ rất thấp vì vậy rất dễ bị mất tính từ và chúng không còn được sử dụng hiện nay nữa

Nam châm AlNiCo: là loại nam châm được chế tạo từ vật liệu từ cứng là hợp

kim của các chất như nhôm, niken, cô ban và một số phụ gia khác như đồng, titan… Đây là loại nam châm cho từ dư cao khoảng từ 1.2 đến 1.5 T tuy nhiên có lực kháng từ chỉ xung quanh 1 kOe và giá so với thị trường cũng khá cao vì thế mà hiện nay tỉ lệ người sử dụng ngày càng có xu hương giảm dần ước tính chỉ còn không đến khoảng 10% thị phần sử dụng nó

Nam châm Ferrite từ cứng: Là loại nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các

ferittừ cứng như chất ferit Ba, Sr… Nam châm này với ưu điểm là rất dễ dàng chế tạo

và gia công, mà giá thành lại rẻ nhưng độ bền cao Tuy nhiên, khó khăn ở đây là do nhóm các vật liệu ferit từ có hàm lượng ôxy cao vì thế nên có từ độ khá thấp và có lực kháng từ khoảng 3 đến 6 kOe nên nó có khả năng cho tích năng lượng từ cực đại lớn nhất là 6 MGOe Hiện nay loại nam châm này cũng được sử dụng khá nhiều do những

ưu điểm kể trên của nó

Nam châm đất hiếm: Là loại nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các vật liệu từ

cứng Đó là các hợp kim hoặc hợp chất của các kim loại đất hiếm và kim loại chuyển

tiếp Loại nam châm này có 2 dang đó là nam châm nhiệt độ cao SmCo và Nam châm NdFeB (neodymium) Tuy nhiên giá cả của nó lại khá cao và độ bền kém nên nam châm này vẫn không phải là loại nam châm được sử dụng nhiều nhất hiện nay

Nam châm tổ hợp nano: Được ra đời từ đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, đây là

loại nam châm có cấu trúc khá đặc biệt gồm tổ hợp của 2 pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet Với khả năng tích năng lượng từ khổng lồ gấp hơn 3 lần so với các nam châm mạnh nhất hiện nay nhưu nam châm NdFeB nhưng loại nam châm này còn đang trong gia đoạn thử nghiệm

1.5 Phương trình toán của PMSM

1.5.1 Phương trình toán trong miền pha abc

Để có được các mô hình toán học của PMSM chúng ta cần phải áp dụng, tương ứng, định luật thứ hai Kirchhoff và định luật thứ hai của Newton về các bộ phận điện

và cơ khí của động cơ

Hình 1 4 Mô hình tương đương cơ khí và điện của PMSM Phần điện: Từ hình 1.4, định luật 2 Kirchhoff có thể được áp dụng vào phần điện của động cơ ta thu được:

dt d

Với r slà thành phần điện trở của mỗi pha, u a     t u t u t, b , c

và i i i a, ,b c

lần lượt

là điện áp pha và dòng điện   a, b, c

là các liên kết từ thông và bao gồm hai phần,

 

 

, ,

Trong đó L biểu thị các điện cảm pha tương ứng là  a, b, c, đại diện cho các liên

kết từ thông được cung cấp bởi các nam châm vĩnh cửu trong mỗi pha của stator Thông lượng này được coi là một hàm tuần của vị trí quay góc điện e

Giả sử rằng các cuộn dây stator được phân bố hình sin, sau đó chúng ta có thể thể hiện những mối liên hệ từ thông nam châm vĩnh cửu như sau

 

sin 2 sin

3 2

Với L sllà điển cảm tự thân của mỗi pha và L m

là giá trị trung bình của điện cảm

từ hóa

Thay (1.3) và (1.4) vào phương trình (1.2), có thể viết lại phương trình (1.2) dưới dạng ma trận Tổng thông lượng từ hóa, được tạo ra bởi cả hai loại điện cảm và nam châm vĩnh cửu, được thể hiện như

Phần cơ: mô hình cơ của máy điện và phụ tải đƣợc biễu diễn đơn giản bằng cách

dùng định luật hai Newton Từ hình 1.3 ta có

trong đó mlà độ dịch chuyển góc cơ học của rotor; mlà vận tốc góc của rotor; J

là moment quán tính; B là hệ số ma sát; và TL là mômen tải Te đại diện cho mômen điện từ đƣợc tạo ra và có thể đƣợc tính toán từ các đồng năng lƣợng Wc, đƣợc đƣa ra bởi

sin

2 sin

 

3

1.132

từ thông rotor được tạo ra

1.5.2 Phương trình trong hệ tọa độ trực giao dq0

Để giảm thiểu sự phức tạp của phương trình vi phân thu được trong (1.10), được

mô tả như trạng thái động của động cơ điện, mô hình được chuyển đổi sang hệ tọa độ trực giao dq0 Thông thường, để điều khiển máy điện ba pha, phương pháp điều khiển hướng từ thông (Field Oriented Control-FOC) được sử dụng để giảm thiểu cấu trúc điều khiển Vector dòng stator, đó là tổng dòng điện ba pha, được chuyển đổi đến hệ tọa tương đương, hệ tọa độ hai pha trên một trục cố định (abc) bằng biến đổi

Clark [27] Để loại bỏ điện cảm biến thiên trong phương trình điện áp có thể áp dụng chuyển đổi Park ( dq) để đổi biến của stator sang hệ tham chiếu rotor [28] Quá trình này được thực hiện như sau

1

1

1

, , ,

d dK

được đưa ra bởi r s, điện trở stator; L se, điện cảm stator tương đương; P, số cặp cực; B,

hệ số ma sát tĩnh; và J, mô men quán tính m là biên độ của liên kết từ thông được

cung cấp bởi nam châm vĩnh cửu trên rotor, điều được xác định bằng thực nghiệm trong [26] cuối cùng, dbiểu diễn tổng liên kết từ thông

1.6 Các phương pháp điều khiển vận tốc PMSM cơ bản

Khi PMSM là các máy điện đồng bộ, mô men chính xác có thể được tạo ra trong các động cơ chỉ khi tần số kích từ AC đồng bộ chính xác với tần số rotor Do đó, yêu cầu cơ bản trong thiết kế điều khiển PMSM là đảm bảo đồng bộ chính xác của kích từ máy điện với tần số rotor Phương pháp chủ yếu để đạt được yêu cầu này là đo lường liên tục của vị trí góc rotor chính xác và việc kích từ cho động cơ một cách phù hợp được chỉ ra như trong hình 1.3 Ý tưởng này được hiểu là tự đồng bộ [1] và nó đảm bảo rằng PMSM không bị mất đồng bộ trong suốt quá trình hoạt động

Hình 1 5 Ý tưởng tự động bộ cho PMSM dựa trên hồi tiếp vị trí rotor

1.6.1 Phương pháp điều khiển theo V/f

Có thể thiết kế các IPMSMs với cuộn dây lồng sóc (cuộn dây giảm chấn) trong rotor như trong Hình vẽ 1.6 Những cuộn dây rotor lồng sóc tương tự như các cuộn dây rotor lồng sóc máy điện cảm ứng và chúng tạo ra mô men đồng bộ khi rotor nam châm cực ẩn không quay ở tốc độ đồng bộ Các mô-men xoắn không đồng bộ được tạo bởi cuộn dây rotor lồng sóc trong khi hoạt động không đồng bộ đưa trở lại rotor nam châm cực ẩn để đảm bảo sự hoạt động đồng bộ của PMSM tại mọi thời điểm Điều này làm cho khả năng sử dụng vòng hở thuật toán điều khiển V / f trở nên đơn giản cho loại IPMSMs như trong Hình vẽ 1.6 để đạt được kiểm soát tốc độ cho các ứng dụng như máy bơm và quạt khi chúng không yêu cầu đáp ứng động nhanh [31]

Hình 1 6 Giải pháp điều khiển V/f vòng hở có thể dùng cho IPMSM với cuộn dây

rotor lồng sóc Hình 1.6 đưa ra phương pháp điều khiển V/f cho IPMSM với dây quấn rotor lồng sóc Phương pháp điều khiển này được gọi là phương pháp điều khiển vô hướng V/f Tuy nhiên, uu điểm trong trong phương pháp điều khiển này, vận tốc rotor chỉ phụ thuộc tần số kích từ của máy điện và không yêu cầu bù trượt như trong các bộ truyền động máy điện cảm ứng

Trong khi IPMSMs với cuộn dây rotor lồng sóc có thể được điều khiển vận tốc bằng cách sử dụng cấu hình đưa ra trong hình 1.6, khó khăn sẽ gặp phải khi muốn điều khiển PMSM mà không có cuộn dây rotor lồng sóc trong cùng cấu hình điều khiển này Khi không có các cuộn dây rotor lồng sóc nghĩa là máy điện sẽ không đảm bảo sự đồng

bộ của rotor với tần số kích từ và hoạt động ổn định Do đó, để dùng phương pháp điều khiển V/f cho PMSM khi không có cuộn dây rotor lồng sóc thì yêu cầu phải có thông tin tần số rotor nhằm đạt được sự dồng bộ hóa giữa tần số kích từ AC và tần số rotor Trong trường hợp này, hệ thống phải được thiết kế để hoạt động trong chế độ vòng kín như trong hình 1.7

Hình 1 7 phương pháp điều khiển V/f cho PMSM trong trường hợp không có cuộn dây

rotor lồng sóc

1.6.2 Phương pháp điều khiển mô men và vận tốc vòng kín

Hiệu suất tốt hơn so với phương pháp điều khiển V/f có thể đạt được khi kết hợp điều khiển mô men và điều khiển vận tốc của máy điện trong bộ điều khiển Bộ điều khiển mô men và vận tốc có cấu trúc điều khiển được đưa ra trong hình 1.8 Mô men được tạo ra trong PMSM có quan hệ với dòng điện stator hồi tiếp đến bộ điều khiển như trong hình 1.8 Ngoài ra, như được giới thiệu phần đầu chương, để có được sự tự đồng bộ hóa, hồi tiếp vị trí góc rotor là một yếu tố quang trọng của bộ điều khiển Điều khiển dòng điện stator được thực hiện dựa trên hệ quy chiếu hướng từ thông trong bộ điều khiển mô men Do đó, điều khiển PMSM với kiểu điều khiển mô men có thể được xem như là điều khiển dựa trên từ thông

Điều khiển vận tốc có thể đạt được bằng cách khep kín vòng lặp vận tốc bên ngoài vòng lặp mô men như trong hình 1.8 Hồi tiếp vận tốc có thể thu được từ tín hiệu cảm biến vị trí góc rotor

Hình 1 8 Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển PMSM trong bộ điều khiển kết hợp mô men

và vận tốc

Với mục tiêu thu được việc điều khiển nhanh mô men, điều khiển mô men trực tiếp (direct torque control - DTC) PMSM cũng được đề xuất và được chú ý những năm gần đây việc ước lượng chính xác mô men và vận tốc là yêu cầu bắt buộc cho DTC Thảo luận chi tiết về phương pháp điều khiển này được đưa ra như trong [32]

1.7 Vấn đề loại bỏ cảm biến vị trí rotor

Như đã đề cập trong các phương pháp điều khiển PMSM là phương pháp điều khiển V/f không có cuộn dây rotor lồng sóc trong hình 1.7 và phương pháp điều khiển

mô men và vận tốc trong hình 1.8, yêu cầu phải có vị trí góc rotor để đạt được tự dồng

bộ hóa trong điều khiển Cảm biến vị trí gắn trên trục động cơ thì không thích hợp bởi nhiều nguyên nhận được trình bày trong [33] Cảm biến vị trí thì quá đắt và chúng sẽ làm tăng chi phí giá thành của hệ thống điều khiển Ngoài ra, phải có sự sắp xếp về mặt

cơ khí đặc biệt để gắn cảm biến vị trí và thêm các dây tín hiệu nối từ cảm biến ra bộ điều khiển Nhiều cảm biến vị trí rất nhạy với nhiệt độ và độ chính xác của chúng sẽ giảm xuống khi nhiệt độ hệ thống tiến đến giới hạn Các nguyên nhân này dẫn đến phải loại bỏ việc gắn cảm biến vị trí góc rotor, điều mà thường được dùng trong vấn đề tự đồng bộ trong hệ thống điều khiển Điều khiển PMSM dùng ý tưởng giống như trong phần 1.6.1 để loại bỏ cảm biến vị trí góc rotor được xem như điều khiển không cảm biến của máy điện

Phương pháp điều khiển V/f chỉ ra trong hình 1.7 là khả thi để dùng các biến khác hơn là dùng vận tốc rotor để đạt được tự đồng bộ và hoạt động ổn định của PMSM Đo lường tại các tiếp điểm động cơ hoặc đường dây DC trong bộ nghịch lưu được dùng cho mục đích này và phương pháp điều khiển không cảm biến cho PMSM được đưa ra trong hình 1.9

Hình 1 9 Phương pháp điều khiển V/f cho PMSM không dùng cảm biến vị trí góc

rotor

Với phương pháp điều khiển mô men và vận tốc được đưa ra trong hình 1.8, phương pháp cơ bản để loại cảm biến vị trí gắn trên trục là ước lượng chính xác vị trí góc rotor và vận tốc sử dụng các đo lường từ tiếp điểm động cơ hoặc nguồn DC Phương pháp này được đưa ra như trong hình 1.10

Hình 1 10 Nguyên lý điều khiển vận tốc và mô men cho PMSM loại bỏ cảm biến vị trí

góc rotor

1.8 Hướng nghiên cứu của luận văn

Qua tổng quan về động cơ PMSM và vấn đề điều khiển động cơ PMSM, luận văn

đề xuất hương nghiên cứu như sau:

- Nghiên cứu áp dụng điều khiển PMSM dựa trên hướng từ thông không dùng cảm biến Đây là phương pháp điều khiển có dãy vận tốc hoạt động của động

cơ rộng, hiệu quả điều khiển cao

- Nghiên cứu áp dụng điều khiển nguyên lý trượt để dự đoán vận tốc và vị trí rotor chính xác hơn nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển

- Nghiên cứu tiến hành thực nghiệm và ghi nhận kết quả trên bộ điều khiển PMSM nhằm đánh giá hiệu quả thu được trong luận văn Đây là cơ sở quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp số hóa thích hợp trong các sản phẩm điều khiển PMSM sau này trong thực tiễn

- Với việc điều khiển cùng lúc nhiều động cơ PMSM, luận văn hướng đến các ứng dụng điều khiển đòi hỏi dùng động cơ song song trong các lĩnh vực công nghiệp Đây là một hướng phát triển có nhiều tiềm năng khi hướng đến các hệ thống giá rẻ yêu cầu ít bảo trì bảo dưỡng

Chương 2: ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC PMSM KHÔNG CẢM BIẾN

2.1 Kỹ thuật ước lượng vị trí/vận tốc rotor cho PMSM

Để có được bộ điều khiển vector hiệu quả cao cho PMSM, đo lường chính xác vị trí và vận tốc rotor là không thể thiếu trong các hệ thống điều khiển PMSM truyền thống, kết quả đo lường thường được ghi nhận thông qua các bộ mã hóa hoặc bộ phân tích chuyển động quay Việc dùng các cảm biến này sẽ làm tăng chi phí, tăng kích thước, làm phức tạp hệ thống dây điện và giảm sức mạnh cơ năng của máy cũng như

độ tin cậy của toàn bộ hệ thống truyền động PMSM Để giải quyết vấn đề này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm phát triển bộ điều khiển không cảm biến vận tốc/vị trí rotor cái có thể thay thế các hệ thống điều khiển dựa trên cảm biến vận tốc/vị trí rotor hiện nay trong vài thập kỷ gần đây [33-37] Phần này cung cấp một cách tổng quan các phương pháp tính toán thông tin vị trí rotor không cần cảm biến vị trí Đây là yếu tố quan trọng để thực hiện điều khiển vector không cảm biến vị trí/vận tốc rotor cho PMSM

Phương pháp tính toán vị trí/vận tốc rotor có thể được phân thành 3 nhóm chính:

- Phương pháp cảm biến vị trí gián tiếp trong đó thông tin vị trí rotor là thu gián tiếp từ số lượng các mối quan hệ với vị trí được ghi nhận, ví dụ, thành phần sức điện động ngược (back EMF) hoặc thành phần hai bậc ba của sức điện động ngược

- Phương pháp dựa trên mô hình trong đó các mô hình cơ bản - tần số của PMSM, dòng điện stator đo được, điện áp stator đo được được sử dụng để ước tính các thông tin vị trí rotor

- Phương pháp dựa trên cực ẩn trong đó thông tin vị trí rotor được trích xuất từ việc độc lập vị trí máy cực lồi và kích từ tần số cao được yêu cầu

Mối liên hệ giữa ba phương pháp được mô tả trong hình 2.1 bên dưới Mỗi loại phương pháp có thể được thực hiện thông qua kỹ thuật vòng hở khá đơn giản và dễ dàng Tuy nhiên, để cải thiện độ chính xác của ước lượng vị trí rotor, xu hướng trong

các nghiên cứu gần đây đều hướng đến việc thiết kế phương pháp ước lượng vị trí vòng kín Chính vì vậy, thiết kế bộ quan sát trở thành vấn đề cốt lõi trong ước lượng vị trí

Hình 2 1 Mô tả ba phương pháp chính để tính toán thông tin vị trí rotor không dùng

cảm biến vị trí

2.1.1 Phương pháp cảm biến vị trí gián tiếp

Ý tưởng cơ bản của kiểu phương pháp này là ghi nhận thông tin vị trí rotor gián tiếp từ tín hiệu liên quan vị trí thu nhân được, ví dụ giá trị tức thời của EMF ngược, đây là một hàm phụ thuộc vị trí rotor Các phương pháp này được áp dụng lần đầu cho động cơ BLDC, là loại có dạng sóng EMF ngược hình thang, nơi mà vị trí rotor thu được từ việc xác định điểm không trên dạng sóng EMF ngược [38-39] Tuy nhiên, cảm biến EMF không hoạt động tại vùng vận tốc thấp Để giải quyết vấn đề này, quy trình khởi động vòng hở được sử dụng

Hơn nữa, tốc độ cơ bản là tốc độ tối đa đạt được bằng cách sử dụng phương pháp này Ngoài ra, các phương pháp được trình bày trong [38] và [39] không thể được áp dụng cho máy AC nam châm vĩnh cửu, đặc biệt là các IPMSMs, do sự phân phối từ thông khe hở bị méo dạng do phản ứng phần ứng

Hình 2 2 Mối liên hệ giữa tín hiệu điều khiển và EMF ngược trong [39]

Hình 2 3 Phân bố thực tế của thành phần cơ bản và hài bậc ba mật độ từ thông khe hở

không khí trong máy điện cảm ứng hoạt động tại tốc độ định mức

Nghiên cứu [40] đề xuất phương pháp cảm biến vị trí gián tiếp khác dựa trên thành phần hài bậc ba của EMF ngược, cái mà có mối quan hệ pha không đổi với thông lượng rotor không phụ thuộc vào chế độ vận hành của động cơ Thành phần hài bậc ba được trích xuất từ điện áp pha stator và các thành phần hài bậc cao hơn được loại bỏ thông qua phép cộng điện áp ba pha So với các phương pháp dựa trên EMF ngược ở trên, phương pháp này cần ít bộ lọc và có khả năng được cải thiện để hoạt động trong một vùng tốc độ thấp hơn Phương pháp này đặc biệt áp dụng đối với các BLDCs với

EMF ngược có dạng hình thang Phương pháp cảm biến vị trí gián tiếp khác dựa trên thành phần hài bậc ba của EMF ngược, có thể được áp dụng cho cả BLDCs và SPMSMs, đã được trình bày trong [41-43]

Trong [41-43], ba phương pháp cảm biến của hài bậc ba trong EMF ngược được

mô tả Hiệu quả các phương pháp được kiểm tra trên cả BLDC và PMSM, bao gồm cả điều khiển không cảm biến trong vùng giảm từ thông Tuy nhiên, tương tự tất cả các phương pháp điều khiển không cảm biến dựa trên EMF ngược khác, quy trình khởi động vòng hở đều phải sử dụng

2.1.2 Phương pháp dựa trên mô hình

Phương pháp dựa trên mô hình tần số cơ bản PMSM được sử dụng rộng rãi nhất cho ước lượng vị trí và tốc độ rotor Những phương pháp dựa trên mô hình này đặc biệt hiệu quả cho các ứng dụng tốc độ trung bình và cao Chúng thường được chia thành hai loại khác nhau: tính toán vòng hở và quan sát vòng kín

Các phương pháp ước lượng vị trí/ tốc độ vòng hở là đơn giản và dễ thực hiện Những phương pháp này hoạt động giống như mô hình động theo thời gian thực của PMSM Chúng nhận được cùng tín hiệu ngõ vào điều khiển và chạy song song Dựa trên mô hình động của PMSM, các trạng thái được quan tâm như là EMF ngược, từ thông rotor, hoặc điện kháng stator, có thể được tính toán Từ đó, các thông tin vị trí rotor và tốc độ có thể được phân tách

Trong bộ quan sát vòng kín, cả ngõ vào điều khiển của động cơ và ngõ ra sai số theo dõi, ví dụ sai số giữa ngõ ra động cơ và bộ quan sát, thường được sử dụng như là ngõ vào bộ quan sát Độ lợi bộ quan sát được thiết kế sao cho buộc ngõ ra bộ quan sát phải hội tụ với ngõ ra động cơ Do đó, giá trị ước lượng của trạng thái kích từ buộc phải hội tụ với giá trị thực của chúng Từ hướng này, bộ quan sát vòng kín có thể được xem như một bộ lọc thích nghi, điều này có khả năng loại bỏ nhiễu loạn tốt và lực cơ học mạnh khi có sự thay đổi thông số máy và khi có nhiễu trong đo lượng dòng điện và điện áp Trong luận văn, có nhiều bộ quan sát được đề xuất trong ước lượng vị trí/vận tốc rotor như là bộ quan sát nhiễu, bộ quan sát chế độ trượt, bộ lọc Kalman mở rộng

Trong phần này, mô hình động thường dùng của PMSM được xem xét trước Sau đó sẽ xem xét cả hai phương pháp tính toán vòng hở và ước lượng vòng kín được giới thiệu

2.1.2.1 Mô hình động của PMSM thường gặp

Một PMSM có thể được mô hình bằng các biến pha abc Thông qua các biến đổi

hệ trục tọa độ thích hợp sẽ thu được mô hình PMSM động trong hệ quy chiếu quay dq

và hệ quy chiếu tĩnh αβ Mối liên quan giữa các hệ quy chiếu được thể hiện trong hình 2.4 Mô hình động của một PMSM điển hình có thể viết trong hệ quy chiếu dq như sau

 : Vận tốc góc điện của rotor

Hình 2 4 Định nghĩa các hệ quy chiếu cho mô hình PMSM Bằng cách dùng biến đổi Clark ngược, mô hình động của PMSM có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ quay αβ như sau:

Với PMSM cực lồi, do  L 0, phương trình (2.2) bao gồm cả hai thành phần re

và 2re, đây là điều bất lợi trong ước lượng vị trí Đối với PMSM cực ẩn, L d L q

, phương trình (2.2) có thể trình bày đơn giản như sau:

Phương trình (2.3) chỉ ra rằng thành phần EMF ngược chứa thông tin vị trí rotor

Do đó, nếu thành phần EMF ngược có thể ước lượng được, có thể tính toán được vị trí rotor Trong luận văn này, do sự đơn giản trong mô hình, nhiều phương pháp ước lượng vị trí dựa trên mô hình của PMSM cực ẩn được đề xuất dựa trên phương trình (2.3) Trong khi đó đối với PMSM cực lồi, do L d L q

, nên phải dùng đến bộ quan sát

vị trí rotor, mô hình PMSM cực lồi dựa trên EEMF thường được sử dụng Mô hình PMSM cực lồi dựa trên EEMF được viết dưới hệ tọa độ dq như sau:

a Phương pháp dựa trên EMF ngược

Thành phần EMF ngược trong phương trình (2.3) và thành phần EEMF trong phương trình (2.5) chứa thông tin vị trí rotor Dựa trên mô hình máy điện, thành phần EMF ngược có thể được tính bằng phương trình (2.6) như được đề xuất trong [44] như sau:

.

2.6

b Phương pháp dựa trên mật độ từ thông

Phương pháp này được đề xuât trong các nghiên cứu [45-46] Trong trạng thái tĩnh, với di /dt0và di /dt0

, vector từ thông của rotor và stator quay đồng bộ với nhau Do đó, nếu góc vị trí của từ thông stator có thể được tính toán, góc từ thông rotor cũng sẽ được ước lượng với cùng một góc vị trí rotor Dựa theo phương trình (2.3), điện áp và dòng điện trong hệ tọa độ quy chiếu stator có thể được dùng để tính từ thông stator và rotor như sau:

Độ chính xác của phương pháp dựa trên mật độ

từ thông phụ thuộc nhiều vào chất lượng và độ chính xác của dòng điện và điện áp đo

được Khi sử dụng bộ tích phân trong phương pháp này, điều kiện ban đầu của tích phân và cảm biến dòng điện DC phải được kiểm soát Ngoài ra, phương pháp này có thể hoạt động tốt trong trạng thái ổn định, khi có quá độ thì hiệu quả sẽ giảm xuống

c Phương pháp dựa trên điện cảm

Phương pháp này được đề xuất trong nghiên cứu [47] Ý tưởng có bản của phương pháp là phân bố không gian của điện cảm pha trong PMSM, đặc biệt là với các PMSM có sự khác biệt lớn giữa L L d, q

, là một hàm của vị trí rotor Điện cảm pha có thể được tính từ việc đo lường dòng điện và điện áp Sau đó, vị trí rotor sẽ được tính bằng cách dựa vào việc giá trị tính toán được của điện cảm pha Trong các hệ thống điều khiển PMSM, nếu tần số chuyển mạch đủ lớn, giá trị điện cảm pha và EMF ngược

có thể được xem như là hằng số trong suốt chu kì chuyển mạch Giả thuyết rằng phương trình điện áp động cho pha a trong PMSM có thể được biểu diễn như sau:

dụ L q/L d 2.5

và hiệu suất sẽ bị giảm nếu đối với PMSM cực ẩn