3 Mô hình thống nhất của hệ truyền động với phương pháp “biểu diễn
3.11 (Mô phỏng) Các đáp ứng mômen, lực, tốc độ, và tỷ số trượt của hệ truyền
được biểu diễn bằng phương pháp EMR.
Chương 4
Hệ thống thực nghiệm với ô tô điện Mitsubishi iMiEV
4.1 Mô tả hệ thống thực nghiệm
Hệ thống thực nghiệm được triển khai trên nền tảng (framework) một phiên bản thương mại hoàn chỉnh của ô tô điện Mitsubishi iMiEV. Khung – vỏ, ắc quy, và động cơ của xe được giữ nguyên; bộ nghịch lưu và hệ thống điều khiển của xe được ngắt bỏ, thay vào đó là các thiết bị và hệ điều khiển do Đề tài KC.03.08/11-15 thực hiện. Hình 4.1(a) là hình ảnh xe ô tô điện đang được lắp đặt trên băng thử tải tại Phòng thí nghiệm Động cơ Đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Thiết bị phần cứng của bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp, bộ giải mã tín hiệu chân ga điện tử của xe, và một số mạch phụ trợ khác do các thành viên khác của Đề tài thực hiện. Tác giả luận văn này làm công việc thiết kế và triển khai thuật toán điều khiển hệ truyền động. Công cụ triển khai thuật toán là bộ điều khiển dSPACE 1103. Đó là một bộ điều khiển đa năng với chức năng thường được gọi là “Mô phỏng thời gian thực” (Real-Time Simulation hoặc Hardware-in-the-Loop Simulation) hoặc là “Rapid Prototyping.” Ta thiết kế hệ thống điều khiển rồi trênMatlab/Simulink rồi chạy trực tiếp chương trình điều khiển đó với dSPACE 1103.
Hình 4.1(b) là hình ảnh lắp đặt bộ nghịch lưu (Inverter) và hệ thống dSPACE tại vị trí băng ghế sau của xe. Mạch giải điều chế (demodulator) được dùng để tách lấy tín hiệu sinθe và cosθe từ resolver của động cơ đưa về. Hình 4.2(a) là hình ảnh về việc triển khai thuật toán điều khiển trên Matlab/Simulink với các khối kết nối để biên dịch sang chương trình chạy trên dSPACE 1103. Hình 4.2(b) là giao diện người dùng của phần mềm ControlDesk dùng để giám sát và vận hành hệ thống chạy trên các bộ điều khiển của dSPACE. Đây là trạng thái ban đầu, tất cả đang ở giá trị không.
4.2 Xác định thông số động cơ IPM truyền động cho xe iMiEV
Đo điện trở, điện cảm trục d và trục q của động cơ
Việc đo điện trở và các điện cảm của động cơ được thực hiện với RLC metter (máy đo điện trở, điện cảm, và điện dung) như trên Hình 4.3. Điện trởR của mô hình động cơ
Chương 4. Hệ thống thực nghiệm với ô tô điện Mitsubishi iMiEV
chính bằng điện trở dây quấn một pha. Do vậy, điện trở này được xác định rất đơn giản, chỉ cần đo điện trở trên hai cực của động cơ và chia đôi là được giá trị này.
Để đo được Ld và Lq, trước tiên ta cần xác định được trục d và trục q của động cơ. Điều này được thực hiện như sau:
• Dùng một nguồn điện một chiều và một điện trở công suất để hạn chế dòng sao cho có thể cấp cho động cơ một dòng điện một chiều có giá trị khoảng<1/10dòng điện định mức của động cơ;
• Nối một cực của động cơ vào Vcc và nối hai cực còn lại vào đất của nguồn một chiều nói trên;
• Dòng điện một chiều chạy trong dây quấn sẽ tạo thành một nam châm điện hút nam châm của rotor vào vị trí đồng trục với nó; đây chính là trục d của động cơ;
• Quay rotor động cơ ra khỏi vị trí đồng trục, nó sẽ chuyển tới vị trí đồng trục tiếp theo; đây là một trục d ở chu kỳ tiếp theo của động cơ;
• Đường phân giác của góc tạo bởi hai trục d vừa được xác định chính là trục q của động cơ.
Sau khi đã xác định được từng trục, ngắt nguồn một chiều ra và dùng máy đo RLC để đo điện cảm;Ld và Lq bằng2/3 các giá trị đo được.
Xác định số đôi cực Pp của động cơ
Số đôi cực Pp của động cơ được xác định từ mối quan hệ giữa tốc độ điện ωe và tốc độ hình học (tốc độ cơ học của rotor) ωr như sau:
ωe=Ppωr, (4.1)
tức là một chu kỳ cơ học tương ứng với Pp chu kỳ điện. Thông thường, trong các động cơ công nghiệp, chu kỳ cơ học là chu kỳ góc θr do resolver phát ra. Tuy nhiên, khi thí nghiệm thực tế, chúng tôi nhận thấy góc từ resolver có chu kỳ trùng với sức phản điện động Back–EMF của động cơ. Điều này có thể do một trong hai nguyên nhân sau:
• Động cơ có số đôi cựcPp = 1;
• Hoặc resolver được chế tạo đặc thù để phát ra góc điện θe chứ không phải góc cơ học θr như thông thường.
Điều thứ nhất rất khó xảy ra, vì động cơ có số đôi cực Pp = 1 khó đem lại chất lượng truyền động tốt. Còn nếu do nguyên nhân thứ hai thì thí nghiệm này chưa đem lại thông tin để xác định số đôi cực. Từ nhận định đó, chúng tôi thực hiện phương án thí nghiệm khác, vừa nhằm xác định số đôi cực, vừa nhằm kiểm chứng nguyên nhân dự đoán trên.
Thí nghiệm được thực hiện như sau:
• Giữ một bánh xe đứng yên;
• Quay bánh xe còn lại đúng một vòng;
Chương 4. Hệ thống thực nghiệm với ô tô điện Mitsubishi iMiEV
Bảng 4.1: (Thực nghiệm) Dữ liệu đo sức phản điện động trên hai cực (điện áp dây line-to-line voltage) của động cơ.
STT Tần số cơ bản Giá trị hiệu dụng Điện áp đỉnh THD
(Hz) (V) (V) (%) 1 14.20 6.70 10.20 3.68 2 9.26 4.28 6.40 2.74 3 11.96 5.50 8.80 2.37 4 5.19 2.37 3.44 5.81 5 7.11 3.28 4.96 2.37 6 21.93 10.00 15.60 2.19 7 16.65 7.70 11.60 2.19
• Ghi lại dạng sóng sức phản điện động và gócθ từ resolver như trên Hình 4.4. Quan sát dạng sóng trên hình, ta nhận thấy khi quay bánh xe một vòng, tức là một chu kỳ bánh xe, thì gócθ và sức phản điện động dao động 14 lần, tức là 14 chu kỳ. Hệ thống cơ khí của ô tô có tỷ số bộ giảm tốckgear ≈7theo thông số của nhà sản xuất. Bên cạnh đó, cơ cấu vi sai khiến cho nếu giữ một bánh đứng yên thì tốc độ trục động cơ truyền đến bánh còn lại sẽ tăng gấp hai lần do quan hệ ωr = (ωwhl+ωwhr)/2, vớiωwhl và ωwhr
lần lượt là tốc độ bánh xe bên trái và bên phải. Từ đó, ta xác định được số đôi cực của động cơ là:
Pp = 14×2
7 = 4. (4.2)
Cũng từ thí nghiệm này, ta xác nhận được rằng góc của resolver phát ra là góc điện θe; điều đó cho thấy resolver được chế tạo đặc thù dùng riêng cho động cơ của xe.
Đo từ thông nam châm vĩnh cửu Φ
Thí nghiệm được thực hiện để xác định hệ số điện áp (KV = Φ) của động cơ bằng cách đo sức phản điện động và tần số tương ứng khi cho rotor quay ở các tốc độ khác nhau. Thí nghiệm này yêu cầu trục động cơ được nối với một động cơ sơ cấp có điều chỉnh tốc độ. Tuy nhiên, do động cơ được gắn trong xe, nối với hệ thống cơ khí phức tạp và bánh xe ở ngoài nên việc sử dụng động cơ sơ cấp để quay rotor là việc khó khăn. Giải pháp của chúng tôi là dùng tay để quay bánh xe. Do quay bánh xe bằng tay nên chỉ đo được ở tần số thấp với dữ liệu cho trong Bảng 4.1, dạng sóng sức phản điện động đặc trưng có dạng như Hình 4.5(a).1 Chúng tôi sử dụng phương pháp “curve fitting” để dựng đường đặc tính từ các điểm dữ liệu. Ta biết rằng tốc độ động cơ và sức phản điện động có quan hệ (được coi là) tuyến tính theo công thức
E = Φωe, (4.3)
do đó đường đặc tính được lựa chọn để thực hiện curve fitting có dạng bậc nhất. Sử dụng công cụ có sẵn của Matlab, ta được đường đặc tính và phương trình như trên
1Với dữ liệu về độ méo hài tổng THD trên Bảng 4.1 và quan sát dạng sóng trên Hình 4.5(a), ta nhận thấy rằng sức phản
điện động của động cơ có chứa thành phần sóng hài làm méo dạng sóng, và độ méo này cao hơn khi ở tần số thấp. Đây chính là một nhược điểm của động cơ IPM với việc gắn nam châm chìm trong rotor. Nhược điểm này trở nên quan trọng khi điều khiển động cơ ở tốc độ thấp, yêu cầu chất lượng điều khiển cao (ví dụ như hệ servo), và/hoặc điều khiển không dùng cảm biến (sensorless). Đây là một vấn đề thú vị, tuy nhiên, nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của luận văn này.
Chương 4. Hệ thống thực nghiệm với ô tô điện Mitsubishi iMiEV
Bảng 4.2: Thông số động cơ IPM của ô tô điện iMiEV.
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Công suất P 47 kW Điện áp DC link VDC 330 V Điện trở stator R 0.012 Ω Điện cảm dọc trục Ld 0.14 mH Điện cảm ngang trục Lq 0.21 mH Số đôi cực Pp 4 Từ thông rotor Φ 0.06 Wb
Hình 4.5(b). Ta biết rằng khi rotor không quay thì không có sức phản điện động, do đó, con số 0.091 chỉ là sai lệch offset của quá trình đo và xử lý dữ liệu. Mối quan hệ V /Hz
của động cơ có tỷ lệ bằng 0.72, từ đó ta tính ra được từ thông động cơ: Φ = 0.72 2π . 1 √ 3 ≈0.06 [Wb]. (4.4) Thông số động cơ
Các thông số động cơ cần sử dụng cho mô hình hóa và thiết kế hệ điều khiển được cho trong Bảng 4.2; trong đó công suất P và điện áp DC link VDC là thông số của nhà sản xuất cung cấp, các thông số còn lại được đo và tính toán từ thực nghiệm như đã trình bày ở trên.
4.3 Kết quả thực nghiệm
Hệ truyền động được thử nghiệm trên băng thử tải với kết quả chính là các đáp ứng dòng điện id và iq trên Hình 4.6. Do động cơ có từ thông được tạo ra từ nam châm vĩnh cửu nên trong hệ điều khiển vector thông thường, dòng điện đặt i∗d = 0. Dòng điện đặt
i∗q có giá trị tỷ lệ với lượng đặt mômen lấy từ chân ga điện tử của xe, do người lái điều khiển. Các đáp ứng cho thấy bộ điều khiển dòng điện đã hoạt động đúng như thiết kế. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng ở Hình 2.3(a), ta thấy hệ truyền động đã được mô hình hóa tốt.
Dòng điện một pha và dòng điện iq được cho trên Hình 4.7. Dòng iq có giá trị bằng với biên độ dòng điện pha, điều này phản ánh đúng tính chất của hệ điều khiển vector với các phép biến đổi hệ tọa độ. Bên cạnh đó, ta thấy dòng điện pha ia bị méo, dẫn tới dòngiq có những nhấp nhô (ripples), chính xác là sáu lần trong một chu kỳ. Điều này là do ảnh hưởng của thời gian an toàn deadtime trong điều biến độ rộng xung PWM cho nghịch lưu. Để giảm thiểu ảnh hưởng này, ta có thể sử dụng một số kỹ thuật bù điện áp. Chúng tôi đã có nghiên cứu về vấn đề này [BH4] nhưng chưa có kết quả thực nghiệm.
Chương 4. Hệ thống thực nghiệm với ô tô điện Mitsubishi iMiEV
(a) Ô tô điện iMiEV trên băng thử tải
dSPACE 1103
Inverter
Resolver Demodulator
(b) Bộ nghịch lưu và hệ thống điều khiển dSPACE 1103