Thiết kế Module Điều khiển Động cơ PMSM Áp dụng Phương pháp Điều khiển Hướng từ thông Rotor FOC

Cấu hình và thiết kế phần cứng

- Các tụ điện C4, C5, C6 là các tụ điện DC Decoupling 3,3 𝜇𝐹 có vai trò lọc các điện áp dâng lên trên các nhánh van khi xuất hiện sự thay đổi điện áp trong thời gian ngắn khi qua trình MOSFET chuyển trạng thái. - Mạch snnuber gồm 1 điện trở 100  và 1 tụ điện 10 nF được mắc giữa cực D và S của MOSFET có vai trò hạn chế dòng điện thay đổi trong thời gian ngắn khi bật MOSFET giúp bảo vệ MOSFET, giảm tổn hao đóng cắt. Khối lọc RC được thiết kế để cắt các tín hiệu PWM từ MCU có tần số thấp hơn 20 kHz đi qua được đưa vào các chân nhận PWM của IC DRV3256EPAPRQ.

Các bộ op-amp bên trong IC sẽ biến đổi với tỉ lệ khuếch đại được quy định từ MCU qua giao tiếp SPI và trả về kết quả dạng ADC cho MCU bằng các chân SOA, SOB, SOC. Khối đo dòng được thiết kế sử dụng mode semi-diffrential của IC đo dòng với chân AOUT và VREF đưa ra tín hiệu vi sai. Dạng Encoder đưa về có dạng xung liên tục, chính vì thế cần thiết kế khối đọc đưa tín hiệu Hall trả ra dạng 3V3 và 0,5V để MCU có thể đọc được tín hiệu.

Khối phản hồi tín hiệu động cơ sensorless sử dụng cấu trúc theo nguyên lý Back EMF: Khi động cơ 3 pha hoạt động, điện áp trên 1 cuộn dây pha gây ra cảm ứng điện từ lên 2 cuộn dây ở các pha còn lại. Việc đo điện áp giữa 2 pha còn lại giúp tính toán từ trường trên pha gây ra cảm ứng điện từ trên 2 cuộn dây pha đó. Tuy nhiên, điện áp giữa 2 pha của Inverter là điện áp xoay chiều, vì vậy cần tạo ra điện áp Vref_BEMF để MCU có thể đọc được tính hiệu này.

- Các tụ decoupling được thiết kế với ý đồ đặt sát các chân nguồn trên PCB - Các tín hiệu phản hồi của động cơ được nối chung để có thể lựa chọn. - Các chân PWM điều khiển cho gate driver được nối vào kênh ePWM - Các chân SPI giao tiếp với gate drive được nối vào kênh SPI-A.

Thiết kế phần mềm nhúng điều khiển trên nền tảng DSP TI TMS320F2800157

TMS320F2800157 là bộ vi điều khiển dấu phẩy động (MCU) 32-bit mạnh mẽ được thiết kế cho các ứng dụng như điều khiển động cơ công nghiệp; các bộ biến đổi điện tử công suất; sạc không dây; cảm biến và xử lý tín hiệu. Bên cạnh chức năng GPIO, F2837xD hỗ trợ các mô-đun ngoại vi cần thiết như ePWM (enhanced Pulse Width Modulation), đọc cảm biến HALL eCAP (enhanced Capture), chuyển đổi số - tương tự ADC/DAC (Analog-to-Digital/Digital-to- Analog), giao tiếp truyền thông (UART, CAN, SPI, I2C…). - Mô-đun định tính hoạt động (Action-Qualifier): Mô-đun AQ có vai trò quan trọng trong việc tạo ra dạng sóng và xung PWM, AQ quyết định sự kiện nào sẽ được chuyển đổi thành hành động, từ đó tạo ra dạng sóng ở đầu ra ePWMxA và ePWMxB.

- Mô-đun thời gian chết (Dead-Band): Trong việc điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất, để tránh hiện tượng trùng dẫn trên một nhánh van, thời gian chết (dead time) sẽ được thêm vào 2 xung điều khiển, việc này được thực hiện bởi mô-đun DB, minh họa trong Hình 2-15.  Mô-đun chuyển đổi tương tự - số ADC (Analog-to-Digital Conversion) Mô-đun ADC làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự đầu vào lấy từ các cảm biến đo (dòng, áp, tốc độ…) sang giá trị số để vi điều khiển có thể xử lý. F2800157 có 3 mô-đun eCAP, mỗi mô-đun gồm 4 thanh ghi chốt thời gian cho phép ghi lại tối đa thời gian xảy ra của 4 sườn xung liên tiếp với 2 chế độ ghi là đánh dấu thời gian tuyệt đối và chênh lệch thời gian.

Khi xảy ra các sự kiện tương ứng theo người dùng cài đặt, thời gian (giá trị của CTR) sẽ được chốt ghi lại vào thanh ghi CAPx tương ứng và thanh ghi tiếp tục đếm đến khi tràn (vượt quá 0xFFFFFFFF) sẽ được cài lại về 0 và tiếp tục đếm. Quá trình hoạt động cứ tiếp tục diễn ra tuần tự, từ sự kiện EVT1 đến EVT4 rồi quay về EVT1 (chế độ liên tục) hoặc đến hết EVT4 rồi dừng và chờ lệnh phục hồi từ phần mềm để quay về EVT1 (chế độ “one-short”). Các mô-đun cần thiết cho ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ 3 pha đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã được trình bày tóm tắt ở phần trên, chương trình điều khiển động cơ được thể hiện bằng lưu đồ trong Hình 2-19.

- Khi cấp nguồn cho mạch điều khiển, chương trình cấu hình các mô-đun cần sử dụng (ADC, GPIO, ngắt, eCAP, ePWM), khởi tạo giá trị các tham số của bộ điều khiển và giá trị ban đầu cho các đại lượng cần đo cũng như độ rộng các xung điều khiển. - Sau đó, chương trình sẽ xác định xem đã kết thúc 1 chu kỳ xung điều khiển hay chưa, nếu kết thúc rồi sẽ kích hoạt quá trình chuyển đổi ADC, khi quá trình chuyển đổi hoàn tất sẽ kích hoạt chương trình ngắt thực thi bộ điều khiển.

Sản phẩm, thông số và kịch bản thử nghiệm

Các đặc tính về tốc độ, dòng điện, và điện áp sẽ được ghi lại để phân tích.

Kết quả, đánh giá và phân tích

Đối với kiểm chứng thực nghiệm:. Quan sát đáp ứng thay đổi tải tại thời điểm 24s. Các đặc tính về tốc độ, dòng điện, và điện áp sẽ được ghi lại để phân tích. sai lệch tĩnh điều khiển bằng 0. Hệ đáp ứng tối với điều kiện thử nghiệm khắc nghiệt nhất. a) Đáp ứng điện áp pha. b) Đáp ứng dòng điện pha. Đáp ứng điện áp và dòng điện pha tương ứng được thể hiện trong Hình 3-3, bộ điều khiển đảm bảo dòng điện và điện áp là 3 pha hình sin và lệch nhau góc 120 độ với tần số bằng tốc độ góc điện của động cơ. Khi có tải gây ra sụt tốc độ, động cơ cần sinh ra momen để thắng momen tải nhằm tăng tốc phục hồi tốc độ động cơ, đồng thời cân bằng với momen tải trong quá trình xác lập.

Dòng điện trục d (𝑖𝑑) được điều khiển ổn định ở 0 do từ thông sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu trong động cơ, dòng điện trục q (𝑖𝑞) thể hiện động học hệ thống. Dòng 𝑖𝑞 tăng đột biến trong quá trình tăng tốc và ổn định ở 0 (khi không có tải) và ổn định ở giá trị tỉ lệ với momen động cơ sinh ra cân bằng momen tải. Bộ điều khiển dòng điện thiết kế tốt với sai lệnh tĩnh được triệt tiêu và không có quá điều chỉnh. Ở kịch bản 2, tác giả sẽ khảo sát khả năng đảo chiều của động cơ với cấu trúc và tham số bộ điều khiển thiết kế. Đáp ứng tốc độ trên Hình 3-5 cho thấy động cơ hoàn toàn có thể đảo chiều quay với chất lượng điều khiển tốt. Khi cần đảo chiều quay, bộ điều khiển và phương pháp SVM tính toán hệ số điều chế cho từng nhánh. Khi đó, thứ tự pha của dòng điện cũng thay đổi, dòng điện 𝑖𝑞 đổi dấu thể hiện việc cấp momen âm để đảo chiều động cơ. Trước khi đảo chiều, động cơ trải qua quá trình hãm tài sinh để giảm tốc động cơ, điều này được thể hiện thông qua dòng 𝑖𝑞 âm nhưng thứ tự pha chưa thay đổi. Vậy bộ điều khiển thiết kế đã đáp ứng tốt với các kịch bản đặt ra, sẵn sàng triển khai vào hệ thực nghiệm. a) Đáp ứng điện áp pha. b) Đáp ứng dòng điện pha. Với thực nghiệm, do ảnh hưởng của nhiễu hệ thống và mạch xử lý tín hiệu, tốc độ đọc bằng cảm biến Hall có sự dao động nhỏ quanh giá trị xác lập, tuy nhiên sự dao động này không đáng kể.

Kết quả đáp ứng dòng điện trên hệ tọa độ d-q thể hiện trong Hình 3-9 cho thấy sự thay đổi của dòng điện trục q khi điều kiện thử nghiệm thay đổi và dòng trục d được điều khiển ổn định quanh giá trị 0. Với quy ước chiều thuận nhận giá trị dương và ngược nhận giá trị âm ở trạng thái xác lập, khi đảo chiều động cơ dòng điện 𝑖𝑞 thực nghiệm cũng đảo dấu. Do độ lớn tốc độ đều giống nhau (1000 rpm) ở cả chiều thuận và nghịch nên momen cản là tương đương, vì vậy momen động cơ sinh ra bằng nhau về độ lớn nhưng trái dấu nhau.

So sánh giữa đáp ứng mô phỏng và thực nghiệm có thể thấy, đáp ứng tốc độ không tồn tại sai lệch tĩnh, độ quá điều chỉnh nhỏ và cú thể đỏp ứng với cỏc kịch bản thay đổi tốc độ và tải. Thông qua 2 kịch bản thực nghiệm, mô-đun điều khiển động cơ thiết kế đáp ứng được các yêu cầu đặt ra, có thể áp dụng cho các ứng dụng điều khiển tốc độ, điều khiển vị trí sử dụng trong các ứng dụng điều khiển chuyển động khác nhau.