Với dòng điện một chiều được cấp vào động cơ, chúng ta cần có bộ phận để đưa, dẫn nguồn điện qua từng cuộn dây. Việc này được thực hiện bởi bộ chuyển pha (Three-Phase Inverter), hay ở đây, trong đồ án chính là mạch cầu H-Bridge. Mạch này chứa các linh kiện bán dẫn MOSFET hoặc một số loại khác, giúp điều khiển nguồn điện. Trong phần này, chúng ta sẽ mô phỏng quá trình điều khiển vị trí của rotor trong động cơ hay nói ngắn gọn hơn là điều khiển vị trí động cơ.
3.2.1. Sơ đồ model mô phỏng
Hình 3.6. Sơ đồ model
Linh kiện bán dẫn được dùng ở đây là MOSFET, chúng ta sẽ cần sáu MOSFET để tạo nên bộ phận chuyển mạch. Việc điều khiển vị trí động cơ chính là điều khiển đóng/mở các linh kiện bán dẫn này. Trong hình 3.7, có thể thấy, từng cặp MOSFET AH (A High) - AL (A Low), BH - BL, CH - CL sẽ tương ứng với từng cuộn dây A, B, C. Một cuộn dây hoặc một pha sẽ có hai MOSFET cao và thấp. Bên cạnh đó, ta cũng sẽ thiết lập một số thông số cho MOSFET tùy thuộc vào phần cứng thiết bị như sau:
Hình 3.8. Thông số khối MOSFET
Hình 3.9. Thông số khối MOSFET
Tín hiệu input Switching pattern trong hình 3.7 được xem như tín hiệu điện áp từ bộ điều khiển gửi đến các MOSFET. Do chúng ta sử dụng tín hiệu ban đầu dạng vector từ khối Constant nên sau đó, tín hiệu phải được đưa vào khối Demux (màu đen) để chia ra sáu tín hiệu nhỏ gửi đến từng linh kiện bán dẫn. Để tránh rối cũng như làm lộn xộn mô hình, ta dùng thêm các cặp khối Goto - From (có hình mũi tên như trong hình 3.7) để gửi tín hiệu. Chú ý duy nhất khi sử dụng cặp khối này là cần chỉnh sửa tag của từng cặp sao cho giống nhau để đảm bảo tín hiệu như ý muốn.
Ta cũng sẽ dùng thêm hai cảm biến điện áp và cảm biến dòng điện gắn vào để xem xét kết quả hệ thống. Hai cảm biến đó là hai khối Phase Voltage Sensor và Current Sensor. Lưu ý rằng ta cũng sẽ cần điều chỉnh hai khối trên về dạng mở rộng bằng cách ấn chuột phải, chọn Simscape/Block choices/Expanded three-phase ports. Và đương nhiên, tiếp tục ta chuyển tín hiệu về dạng Simulink rồi sử dụng khối Scope để xem đầu ra dòng điện. Nguồn điện cấp cho động cơ sẽ được mô phỏng bởi khối Voltage Sensor và có
Hình 3.10. Thông số khối Voltage sensor
Kết thúc bộ phận Three-Phase Inverter, ta cần thiết lập một phần nữa cho model chính là việc đo đạc vận tốc cũng như vị trí động cơ. Điều này có thể làm được nhờ khối Ideal Rotational Motion Sensor trong hình 3.6. Một điều cần lưu ý đó chính là đơn vị của khối này và đơn vị của khối Scope hiển thị kết quả mô phỏng. Ta cần thiết lập đơn vị đồng nhất giữa các khối, đều là độ hoặc radian, cụ thể là hai khối Ideal Rotational Motion Sensor và khối PS-Simulink Converter bằng cách ấn chuột vào khối và chọn hoặc gõ đơn vị deg cho độ hay rad cho radian. Khối cuối cùng cần nhắc đến là khối Inertia, giúp tạo quán tính vật lý cho mô hình. Ta sử dụng thông số như sau:
Hình 3.11. Thông số khối Inertia
3.2.3. Kết quả mô phỏng
Có bốn khối Scope tương ứng với bốn kết quả đồ thị mà ta thu được từ mô phỏng trên. Tuy nhiên, ta sẽ tập trung nhất vào khối vị trí góc Angular position vì khối này thể hiện vị trí động cơ để ta biết mô phỏng có chính xác hay không. Kết quả cần đạt được là rotor được quay đến vị trí mới và đứng yên tại đó trong một khoảng thời gian nhất định. Ta sẽ chạy model với thời gian 0.2 giây và xem xét đồ thị:
Như vậy, ta đã điều khiển được vị trí động cơ theo như mong muốn. Trong hình, có thể thấy rotor từ vị trí ban đầu đã quay 30 độ đến vị trí mới. Đồng thời, ta nhận ra rằng có một độ vượt lố khi rotor di chuyển tới vị trí mới. Điều này có thể được điều chỉnh bởi các thông số PID.
3.3. Mô phỏng điều khiển động cơ với phương pháp sáu bước Six-step Commutation
Trong phần này, chúng ta sẽ mô phỏng điều khiển vòng lặp kín với phương pháp sáu bước Six-step Commutation. Như vậy, ta sẽ cần hai bộ phận quan trọng đó là: cảm biến vị trí và bộ điều khiển để có thể làm được điều trên.
3.3.1. Sơ đồ model mô phỏng
Hình 3.13. Sơ đồ model
3.3.2. Thực hiện mô phỏng
3.3.2.1. Mô phỏng Sub-system Sensor
Trước hết, ta cần mô phỏng bộ phận cảm biến vị trí rotor của động cơ BLDC. Sơ đồ cụ thể của hệ thống như sau:
Hình 3.14. Sub-system Sensor
Thuật toán điều khiển được sử dụng ở đây có thể được hiểu như sau: Motor sẽ quay và gửi tín hiệu vị trí góc trong phạm vi tuần hoàn 360 độ. Với tín hiệu dao động từ 0 đến 360 độ, ta sẽ chia vòng quay động cơ làm 6 phần, mỗi phần 60 độ. Tương ứng ở mỗi phần, sub-system sẽ tiếp tục xử lí gửi ra tín hiệu từ 1 đến 6. Với tín hiệu này, ta có thể dùng bộ điều khiển để điều khiển động cơ sao cho hợp lí.
Như đã nói ở phần trước, khối Ideal Rotational Motion Sensor sẽ cho ta tín hiệu vị trí góc rotor. Tuy vậy, tín hiệu này chỉ tăng dần chứ không tuần hoàn trong phạm vi quay 360 độ mà ta cần để dùng làm điều kiện. Vì vậy, cho đến hết khối Math Function, ta sẽ lần lượt nhân với số cặp cực, chia lấy dư cho 360 để cho ra tín hiệu tuần hoàn. Tiếp theo so sánh nó với từng điều kiện của 6 phần để xác định vị trí rotor nằm khu vực nào trong vòng quay động cơ. Việc so sánh này được thực hiện bởi các khối Logical Operator trong hình.
Sau đó, vì tín hiệu hiện tại đang ở dạng boolean, ta sẽ chuyển về dạng số bằng khối Data Type Conversion. Cuối cùng khối Saturation sẽ giúp ta điều chỉnh phạm vi tín hiệu vào khoảng từ 1 đến 6, giúp đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Tổng kết, ở phần này, ta đã thu thập được tín hiệu vị trí của động cơ. Đồng thời, xuất ra được tín hiệu vị trí này ra bên ngoài để chuẩn bị gửi đến bộ điều khiển.
3.3.2.2. Mô phỏng Sub-system Commutation Logic
Hình 3.15. Sub-system Commutation Logic
Tương ứng với sáu bước, sẽ có sáu trường hợp điều khiển MOSFET phù hợp cho động cơ. Để tạo model này tương đối đơn giản, ta chỉ cần copy lại khối Constant ở model 2.2. Mô phỏng bộ phận chuyển mạch và thay đổi lại vector của khối để tạo thành sáu trường hợp MOSFET như trên.
Tiếp theo ta sẽ dùng khối Multiport Switch. Khối này sẽ nhận tín hiệu từ Sub-system Sensor mà ta đã tạo ở phần trước và cho ra tín hiệu điều khiển tương ứng với từng input cụ thể.
Nếu chỉ sử dụng các Sub-system trên, ta đã có thể mô phỏng một động cơ BLDC quay với một vận tốc không đổi. Tuy vậy, ta sẽ tiếp tục mô phỏng việc chạy động cơ với tốc độ thay đổi tăng dần trong phần tiếp theo.
3.3.2.3. Mô phỏng bộ điều khiển PID
Hình 3.16. Sơ đồ model
Hãy xem như chúng ta cần điều khiển động cơ đạt vận tốc 900 vòng/phút trong 2 giây mô phỏng. Và trong thời gian 2 giây, vận tốc quay sẽ tăng dần và đạt các ngưỡng giá trị nhất định. Khối giúp ta điều chỉnh việc này chính là khối Repeating Sequence, mà trong hình 3.16 đã được đổi tên thành khối Desired speed. Ta cũng sẽ điều chỉnh thông số khối này như sau:
Hình 3.17. Thông số khối Repeating Sequence
Để có thể điều khiển PID mô hình trên, trước hết chúng ta cần một thông số là hiệu của vận tốc mong muốn so với vận tốc hiện tại. Hai thông số này ta đều đã có từ sub- system Sensor và từ khối Repeating Sequence ta vừa nhắc ở trên. Ta sẽ trừ chúng với nhau và đưa vào khối PID Controller. Tiếp tục, ta hiệu chỉnh khối này như sau:
Tín hiệu đầu ra của khối PID sẽ được chuyển ra khối Unit Delay rồi ra khối Simulink-PS Converter và cuối cùng là khối Controlled Voltage Source để chuyển từ tín hiệu Simulink sang tín hiệu điện trong Simscape để cấp cho động cơ mô phỏng. Như vậy, ta đã hoàn tất điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp sáu bước. Ngoài ra, ta còn thay đổi được vận tốc động cơ theo ý muốn.
3.3.3. Kết quả mô phỏng
Hình 3.19. Vận tốc motor đo được và điện áp cấp motor
Tín hiệu quan trọng nhất trong mô phỏng này chính là vận tốc đo được của cảm biến mô phỏng. Như ta thấy, vận tốc động cơ đã tăng dần để đạt được giá là 900 vòng/phút trong vòng 2 giây mô phỏng. Bên cạnh đó ta cũng sẽ xem xét thêm về điện áp cấp vào động cơ (đường màu xanh dương). Có thể thấy, vận tốc động cơ được tăng lên khi điện áp cấp cho nó tăng lên.
Hình 3.20. Vận tốc motor đo được trong thời gian khoảng 0.1s
Ta tiến hành xem xét kỹ hơn về tốc độ động cơ. Hình 3.20 thể hiện vận tốc đo được của động cơ nhờ cảm biến trong điểm thời gian từ khoảng 1.12 đến 1.3 giây mô phỏng. Dễ dàng nhận ra rằng, vận tốc motor không là một hằng số mà liên tục thay đổi. Điều này
là rất đúng với lý thuyết đã nêu ở chương trước. Quá trình điều khiển 6 bước có một nhược điểm là quá trình quay của rotor bị đứt quãng. Điều này sẽ rất xấu khi động cơ hoạt động ở số vòng quay thấp, khi mà tần số dao động trong mức có thể cảm nhận được.