Nhan đề : Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động cơ nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục cho ứng dụng xe điện Tác giả : Nguyễn Mạnh Hùng Người hướng dẫn: Đỗ Mạnh Cường Từ khoá : Động cơ nam châm vĩnh cửu; Hệ truyền động Năm xuất bản : 2020 Nhà xuất bản : Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt : Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện, thiết kế mô hình động cơ từ trường dọc trục; xây dựng hệ truyền động và tính toán bộ điều khiển.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục cho ứng dụng xe điện Học viên NGUYỄN MẠNH HÙNG hungnguyenmanhbk@gmail.com Ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Mạnh Cường _ Chữ ký GVHD Viện: Điện Hà Nội, 2020 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Mạnh Hùng Đề tài luận văn: Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục cho ứng dụng xe điện Chuyên ngành: Ngành Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa Mã số SV: CA190093 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 30/10/2020 với nội dung sau: - Chuyển đơi hình vẽ, bảng biểu luận văn từ tiếng Anh sang tiếng Việt - Diễn giải, bình luận thêm kết mơ chương - Trình bày điều khiển dịng điện có loại bỏ ảnh hưởng xen kênh - Giải thích hình dáng tốc độ đặt xe, phân tích, giải thích thêm kết mơ - Chỉnh sửa số lỗi tả, thống ký hiệu đại lượng Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Đỗ Mạnh Cường Nguyễn Mạnh Hùng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Nguyễn Văn Liễn ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Mạnh Cường Cơ quan: Bộ mơn Tự động hóa Công nghiệp – Viện Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email: cuong.domanh@hust.edu.vn Điện thoại: 0904 979 399 Nội dung Đề tài chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Tên đề tài: Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục cho ứng dụng xe điện Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn TS Đỗ Mạnh Cường LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Đỗ Mạnh Cường, người hướng dẫn tơi hồn thành chương trình thạc sĩ trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi gửi lời cảm ơn tới anh Đỗ Nguyên Hưng, người giúp trình nghiên cứu động từ trường dọc trục nam châm vĩnh cửu TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Đề tài: Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục cho ứng dụng xe điện Nội dung luận văn luận văn giải vấn đề sau: Đưa lý chọn đề tài, xây dựng mơ hình động cơ, thiết kế điều khiển đưa kết mô Phương pháp nghiên cứu công cụ sử dụng: Luận văn đưa nghiên cứu lý thuyết đề tài mô kiểm chứng phần mềm: - Phần mềm Ansys Maxwell để mô kiểm chứng thiết kế động - Phần mềm Matlab để mơ hình hóa mơ hoạt động điều khiển với động Kết Kết luận văn phù hợp với yêu cầu đặt có tính khoa học nghiên cứu khoa học nước Hướng phát triển động từ trường dọc trục nam châm vĩnh cửu mới, mở rộng phát triển hồn thiện nghiên hệ truyền động xe điện ứng dụng khác động Học viên Nguyễn Mạnh Hùng Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH iii DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi Lời mở đầu Chương Tổng quan hệ truyền động ô tô điện 1.1 Sự phát triển ô tô điện 1.2 Đặc điểm hệ truyền động ô tô điện 1.3 Hệ truyền động xe điện 1.3.1 Kiểu truyền động bánh xe 1.3.2 Phương pháp điều khiển hệ truyền động 10 1.4 Động truyền động sử dụng cho ô tô điện 12 1.4.1 Các yêu cầu động sử dụng cho ô tô điện 12 1.4.2 Các loại động thường sử dụng cho xe điện 12 1.4.3 Giới thiệu động AFPM cho xe điện 16 1.5 Kết luận chương 18 Chương Thiết kế mơ hình động từ trường dọc trục 19 2.1 Tính tốn thông số cần thiết cho động xe điện 19 2.2 Tính tốn kích thước thông số động 21 2.3 Mô kiểm chứng động 24 2.3.1 Mô Ansys RMxprt 24 2.3.2 Mơ q trình q độ Ansys Maxwell 27 2.4 Mơ hình hóa động AFPM 32 2.5 Kết luận chương 35 Chương Xây dựng hệ truyền động tính tốn điều khiển 36 3.1 Phân tích hệ truyền động động sử dụng phương pháp FOC 36 3.2 Tính tốn điều khiển 36 3.2.1 Tính tốn vịng điều khiển dòng điện 37 3.2.2 Tính tốn vịng điều khiển tốc độ 38 3.3 Bộ biến tần hệ truyền động 40 3.4 Xây dựng mô matlab 45 i Mục lục 3.5 Kết luận chương 48 Chương Kết mô 49 4.1 Kết mô thay đổi tốc độ mặt đường phẳng 49 4.2 Mô xe lên dốc 52 4.3 Mô xe xuống dốc 56 4.4 Kết luận chương 60 KẾT LUẬN 61 DANH MỤC CÔNG BỐ KHOA HỌC 63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 66 ii Danh mục hình ảnh DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 So sánh khác biệt đặc tính động điện động đốt Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống xe điện [6] Hình 1.3 Cấu trúc xe ô tô điện Hình 1.4 Kiểu truyền động bánh xe thông thường Hình 1.5 Kiểu truyền động khơng hộp số Hình 1.6 Kiểu truyền động nối tầng Hình 1.7 Kiểu truyền động động bánh xe với hộp giảm tốc Hình 1.8 Kiểu truyền động trực tiếp động bánh xe Hình 1.9 Kiểu truyền động bốn động bánh xe Hình 1.10 Mẫu động IW L1500 Elaphe Hình 1.11 Lắp đặt động IW vào bánh xe xe Audi R8 Hình 1.12 Bộ điều khiển cho động bánh xe 10 Hình 1.13 Các động điện thường sử dụng cho EV 13 Hình 1.14 Một số xe điện động sử dụng [4] 15 Hình 1.15 Động AFPM hãng Magnax với cấu trúc hai rotor stator 17 Hình 1.16 So sánh động IPM BMW i3 với động AFPM Magnax 18 Hình 2.1 Thơng số mơ động 24 Hình 2.2 Kết mô động với tải 25 Hình 2.3 Khối lượng vật liệu động 25 Hình 2.4 Mật độ từ trường động 26 Hình 2.5 Các thơng số động 26 Hình 2.6 Đáp ứng dịng điện động 27 Hình 2.7 Dịng điện thời điểm xác lập 28 Hình 2.8 Đáp ứng momen động 28 Hình 2.9 Momen thời điểm xác lập 29 Hình 2.10 Đáp ứng tốc độ động 29 Hình 2.11 Tốc độ xác lập 30 Hình 2.12 Phân bố từ thơng động q trình q độ t=0.1s 30 Hình 2.13 Phân bố từ thơng xác lập t=4s 31 Hình 2.14 Đồ thị B-H thép M27 31 Hình 2.15 Phân bố vector từ thơng máy 32 Hình 2.16 Mơ hình động AFPM 35 Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển theo FOC 36 Hình 3.2 Các mạch vịng điều khiển động 37 Hình 3.3 Cấu trúc mạch vịng dịng điện 37 Hình 3.4 Khâu bù tách kênh để loại bỏ ảnh hưởng xen kênh hai dịng điện.38 iii Danh mục hình ảnh Hình 3.5 Mạch vòng tốc độ 39 Hình 3.6 Sơ đồ nghịch lưu pha với cặp van bán dẫn 41 Hình 3.7 Vị trí vector chuẩn hệ tọa độ tĩnh 42 Hình 3.8 Thuật tốn xác định vector điện áp đặt sector 42 Hình 3.9 Vector điện áp sector 43 Hình 3.10 Sơ đồ mô tổng quan 45 Hình 3.11 Sơ đồ Inverter 45 Hình 3.12 Sơ đồ mạch lực nghịch lưu nguồn áp 46 Hình 3.13 Mơ hình động AFPM matlab 46 Hình 3.14 Sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng điện 47 Hình 3.15 Mơ hình tính tải xe hoạt động 47 Hình 3.16 Khối quy đổi tốc độ xe với tốc độ góc bánh xe 48 Hình 4.1 Tốc độ đặt động mặt đường phẳng 49 Hình 4.2 Dịng điện động 49 Hình 4.3 Dịng điện động phóng to 50 Hình 4.4 Dịng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 50 Hình 4.5 Dịng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 phóng to 50 Hình 4.6 Điện áp đầu nghịch lưu nguồn áp 51 Hình 4.7 Đáp ứng tốc độ xe 51 Hình 4.8 Đáp ứng momen động 52 Hình 4.9 Tốc độ đặt xe 52 Hình 4.10 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 thay đổi lên dốc 53 Hình 4.11 Đáp ứng tốc độ xe 53 Hình 4.12 Tốc độ xe thay đổi xe bắt đầu lên dốc 54 Hình 4.13 Đáp ứng dòng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 54 Hình 4.14 Dịng điện bắt đầu lên dốc 55 Hình 4.15 Đáp ứng momen xe lên dốc 55 Hình 4.16 Đáp ứng momen bắt đầu lên dốc 56 Hình 4.17 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 thay đổi xuống dốc 56 Hình 4.18 Tốc độ xe xuống dốc 57 Hình 4.19 Đáp ứng tốc độ thời điểm xuống dốc 57 Hình 4.20 Đáp ứng dòng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 xuống dốc 58 Hình 4.21 Dịng điện 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 thời điểm bắt đầu xuống dốc 58 Hình 4.22 Đáp ứng momen tải xuống dốc 59 Hình 4.23 Momen thời điểm xuống dốc 59 iv Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1.1 Kết so sánh phương pháp điều khiển DTC FOC động PMSM 11 Bảng 2.1 Thông số cần thiết động lực học xe 20 Bảng 2.2 Kết tính phương trình động lực học 21 Bảng 2.3 Các thông số yêu cầu động 23 Bảng 2.4 Thông số tính tốn động 24 Bảng 3.1 Bảng tổng hợp ma trận 𝑨𝑨𝑛𝑛𝑛𝑛 44 Bảng 3.2 Hệ số điều chế cho nhóm nhánh van mạch nghịch lưu 44 v Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT DIỄN GIẢI NGHĨA TIẾNG VIỆT AFPM Axial Flux Permanent Magnet (motor) (Động cơ) nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục EV Electric Vehicle Xe điện AC Alternative Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current IPM Interior Permanent Magnet FOC Permanent Magnet Synchronous Motor Field Oriented Control Dòng điện chiều Động nam châm vĩnh cửu cực chìm Động đồng nam châm vĩnh cửu Điều khiển tựa từ thông DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp momen PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung SVM Space Vector Modulation Điều chế vector không gian IWM In-Wheel Motor Động đặt bánh xe PMSM vi Chương Kết mơ Hình 4.8 Đáp ứng momen động Các đồ thị cho thấy động đáp ứng tốt với thay đổi vận tốc tải không đổi 4.2 Mô xe lên dốc Khi xe lên dốc, tốc độ xe giảm xuống trước lên dốc lên dốc tải tăng lên Đồ thị tốc độ đặt xe hình 4.9 đồ thị tác động góc alpha hình 4.10 Trong mơ này, xe lên dốc 10° (tương ứng với sin(𝛼𝛼) = 0.17) Hình 4.9 Tốc độ đặt xe Trong hình 4.9, xe tăng tốc lên 60km/h thời điểm 10s giảm xuống 20km/h t=30s bắt đầu lên dốc Khi kết thúc lên dốc t=70s, xe tăng tốc lên 40km/h giữ tốc độ 52 Chương Kết mơ Hình 4.10 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆(𝛼𝛼) thay đổi lên dốc Trong hình 4.10 thể thay đổi Sin(α) với α độ dốc Lúc xe chịu thêm lực cản lên dốc làm tăng momen tải Kết mơ Hình 4.11 Đáp ứng tốc độ xe 53 Chương Kết mơ Hình 4.12 Tốc độ xe thay đổi xe bắt đầu lên dốc Khi xe lên dốc thời điểm t = 30s, tốc độ xe bị sụt xuống tải tăng lên ổn định bám theo tốc độ đặt Khi hết dốc (t = 70s), tốc độ tăng đột ngột thời gian ngắn tải giảm đi, sau ổn định bám theo giá trị đặt Hình 4.13 Đáp ứng dòng điện 𝑖𝑖𝑑𝑑𝑑𝑑 54 Chương Kết mơ Hình 4.14 Dịng điện bắt đầu lên dốc Dòng điện điều khiển momen 𝑖𝑖𝑞𝑞 tăng để có tăng momen xe, dịng điện 𝑖𝑖𝑑𝑑 khơng giá trị mong muốn Đáp ứng momen Hình 4.15 Đáp ứng momen xe lên dốc 55 Chương Kết mơ Hình 4.16 Đáp ứng momen bắt đầu lên dốc Khi xe lên dốc, momen tải tăng lên đột ngột, nhiên động sinh thêm momen để thắng momen tải làm xe chạy 4.3 Mơ xe xuống dốc Giả sử xe xuống dốc 10°, đồ thị đặt tốc độ hình 4.9, đồ thị đặt sin(𝛼𝛼) hình 4.17 Hình 4.17 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆(𝛼𝛼) thay đổi xuống dốc Trong hình 4.17 thể thay đổi Sin(α) với α độ dốc Lúc xe có thêm lực kéo xuống dốc làm momen tải giảm Các đồ thị đáp ứng động Đáp ứng tốc độ xe 56 Chương Kết mơ Hình 4.18 Tốc độ xe xuống dốc Hình 4.19 Đáp ứng tốc độ thời điểm xuống dốc Khi xe xuống dốc (t = 30s), tải giảm làm tốc độ tăng lên đột ngột, nhiên sau ổn định bám theo giá trị đặt Đáp ứng dòng điện 𝑖𝑖𝑑𝑑𝑑𝑑 57 Chương Kết mơ Hình 4.20 Đáp ứng dịng điện 𝑖𝑖𝑑𝑑𝑑𝑑 xuống dốc Hình 4.21 Dịng điện 𝑖𝑖𝑑𝑑𝑑𝑑 thời điểm bắt đầu xuống dốc Đáp ứng momen 58 Chương Kết mơ Hình 4.22 Đáp ứng momen tải xuống dốc Hình 4.23 Momen thời điểm xuống dốc Từ đồ thi dòng điện momen, ta thấy momen động giảm xuống bám theo momen tải Momen tải giảm xuống âm lực kéo xuống dốc lớn lực cản, xe rà phanh để tăng momen tải động chạy chế độ hãm tái sinh 59 Chương Kết mô 4.4 Kết luận chương Ở chương 4, trường hợp hoạt động xe mô phỏng: - Thay đổi tốc độ mặt đường phẳng - Thay đổi momen lên dốc - Thay đổi momen xuống dốc Dựa vào đồ thị đáp ứng mô phỏng, ta thấy động đáp ứng tốt với trường hợp thay đổi tốc độ tải 60 Kết luận KẾT LUẬN Tổng kết Trong luận văn, yêu cầu cần thiết cho động dùng cho ứng dụng xe điện trình bày Động AFPM lựa chọn phù hợp cho kiểu truyền động trực tiếp động đặt bánh xe Chương luận văn trình bày thiết kế động AFPM kiểu mặt Với kích thước thơng số mơ kiểm chứng, động hồn tồn đặt bánh xe (in-wheel) Mơ kiểm chứng q trình q độ phần mềm Ansys Maxwell, cho thấy động khởi động hoạt động Các thông số thu sau mô kiểm chứng dùng để mơ hình hóa động phục vụ cho việc điều khiển Trong chương 3, phương pháp điều khiển FOC lựa chọn trình bày để điều khiển cho động Các mạch vòng điều khiển tính tốn cho mạch vịng tốc độ dịng điện Hệ truyền động tơ điện xác định hệ điều khiển momen, mơ hình điều khiển loại bỏ ảnh hưởng việc tác động chéo, điều khiển momen trở thành điều khiển dòng điện 𝑖𝑖𝑞𝑞 Chương luận văn trình bày kết điều khiển số trường hợp thông thường xe hoạt động Kết cho thấy, động đáp ứng tốt có thay đổi momen hay tốc độ xe chạy Các hướng nghiên cứu Hiện nay, hướng nghiên cứu xe điện quan tâm, có nhiều nghiên cứu mơ hình xe phương pháp điều khiển xe công bố Tuy nhiên, động AFPM lĩnh vực nghiên cứu dần quan tâm Từ công việc thực luận văn này, hướng nghiên cứu triển khai sau: 61 Kết luận - Xây dựng điều khiển hoàn chỉnh xe với bốn động đặt bốn bánh xe - Áp dụng phương pháp điều khiển công bố cho động trước cho động AFPM - Biểu diễn mơ xe điện theo mơ hình EMR - Điểu khiển dòng lượng hãm tái sinh để tái tạo lượng xe - Dựa vào thiết kế động AFPM, thiết kế mẫu động khác cho kiểu truyển động bánh xe khác Cấu trúc AFPM hai mặt đa tầng sử dụng nhằm giảm kích thước tăng cơng suất động 62 Danh mục công bố khoa học DANH MỤC CÔNG BỐ KHOA HỌC Nguyen Manh Hung, Do Manh Cuong and Do Nguyen Hung and Dao Huy Du, Design Axial Flux Permanent Magnet machine for in-wheel of Electric Vehicle”, advances in Engineering Research and Application, Proceedings of the International Conference on Engineering Research and Applications, ICERA 2019 (pp.220-228) 63 Danh mục tài liệu tham khảo DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Timeline: History of the Electric Car, [2] Nguyễn Bảo Huy, luận văn thạc sĩ: “Điều khiển hệ truyền động cho ô tô điện”, 2015 [3] X D Xue, K W E Cheng and N C Cheung, "Selection of Electric Motor Drives for electric vehicles," 2008 Australasian Universities Power Engineering Conference, Sydney, NSW, 2008, pp 1-6 [4] Pooja Naresh Bhatta, Hemant Mehar, Manish Sahajwani, “Electrical Motors for Electric Vehicle – A Comparative Study” [5] Sam Davis, “Axial Flux Motors and Generators Shink Size, Weight”, [6] How all Electric Car Work? [7] Direct drive in wheel motor, [8] X T Garcia, B Zigmund, A Terlizzi, R Pavlanin, L Salvatore, “Comparion between FOC and DTC trate for Permanent Magnet Synchronous Motors” [9] A Mahmoudi, N A Rahim, and H W Ping, “Axial-Flux Permanent Magnet Motors design for electric vehicle direct drive using sizing equation and finite element analysis” [10] Jacek F Gieras, Rong-jie Wang, Maarten J Kamper, “Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines” [11] Nguyen Trong Duy, “Dual air-gap Axial Flux Permanent Magnet Machines for Flywheel Energy Storage Systems”, 2012 [12] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, “Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất”, 2014 64 Danh mục tài liệu tham khảo [13] Muhammed Fazlur Rahman and Sanjeet K Dwivedi, “Modelling, Simulation and Control of Electrical Drives” [14] Nguyễn Dỗn Phước, “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, 2000 65 Phụ lục PHỤ LỤC Một số hình ảnh động AFPM chế tạo Động AFPM nhóm chế tạo kiểu double-side với hai stator rotor, công suất 1kW, tốc độ 3000rpm dùng cho ứng dụng bánh đà tích trữ lượng (FESS – Flywheel Energy Storage System) Hình P.1 Rotor (trái) Stator (phải) động Hình P.2 Bộ giá đỡ gắn động 66 ... Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục cho ứng dụng xe điện Nội dung luận văn luận văn giải vấn đề sau: Đưa lý chọn đề tài, xây dựng mơ hình động cơ, thiết... chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Tên đề tài: Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động cho động nam châm vĩnh cửu từ trường dọc trục cho ứng dụng xe điện Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Giáo... cao Đã có nhiều nghiên cứu động điện phù hợp cho xe điện Việt Nam giới Tuy nhiên nghiên cứu hệ truyền động dùng động từ trường dọc trục nam châm vĩnh cửu chưa phổ biến giới Việt Nam Mục tiêu luận