Chức năng các khối trong sơ đồ cấu trúc được mô tả như sau:
- Khối nghịch lưu: Chuyển đại lượng một chiều trung gian đã qua lọc thành hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha. Mạch nghịch lưu là hệ thống các
van bán dẫn đóng ngắt theo các tín hiệu điều khiển là thời gian đóng ngắt tu, tv, tw.
- Khâu điều chế vector: Chuyển các điện áp usα, usβ sang thời gian đóng ngắt van tu, tv, tw.
- Khâu chuyển hệ tọa độ: Từ 3 đại lượng được đo isu, isv, isw (thực chất chỉ cần đo hai giá trị isu, isv, từ đó sẽ suy ra được isw) sẽ chuyển thành isα, isβ trên hệ tọa độ αβ.
- Các khâu chuyển tọa độ: Chuyển các đại lượng từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ αβ và ngược lại. Để chuyển được cần có thêm đại lượng góc quay
𝜃𝑠 của hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor.
- Khâu điều chỉnh dòng RI : Có tác dụng áp đặt nhanh 2 thành phần dòng isd và isq, biến chúng thành 2 đại lượng điều khiển từ thông rotor và mômen quay. Vào thời kỳ đầu của kỹ thuật truyền động, người ta dùng riêng rẽ 2 bộ điều chỉnh dòng riêng biệt kiểu PI, tuy nhiên giải pháp đó chỉ làm việc tốt ở chế độ tĩnh, còn ở chế độ động, nó đã bộc lộ nhiều nhược điểm.
- Khâu điều chỉnh từ thông: Trên hệ tọa độ dq, isd là đại lượng điều khiển cho Ψ 'rd. Tuy nhiên giữa hai đại lượng này tồn tại một khâu trễ bậc nhất với hằng số thời gian 𝑇𝑟
Ψrd' = isd
1+sTr
vì vậy khâu điều chỉnh từ thông có nhiệm vụ cải thiện đặc tính truyền đạt đó. Từ giá trị sai lệch giữa giá trị đặt của từ thôngΨ 'rd¿ và giá trị ước lượng của từ thông tính toán được từ mô hình từ thông để tính ra giá trị đặt của thành phần dòng isd¿
.
- Khâu mô hình từ thông: Có nhiệm vụ tính từ thông rotor Ψrd' và góc quay 𝜃𝑠 trên cơ sở các đại lượng đo được như isd, isq, . Ngoài ra cũng có thể dùng một khâu quan sát trạng thái để tính
θs=θs(0)+∫ωsdt ωs=ω+ωrωr= isq
TrΨrd
- Khâu điều chỉnh tốc độ: Từ sai lệch giữa giá trị đặt của vận tốc góc ω* và giá trị thực ω đo được để tính ra giá trị đặt của dòng isq¿ .
Phân tích nguyên lý hoạt động của phần điều khiển:
Mạch điều khiển theo cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor. Dòng điện 3 pha ở mạch lực cấp cho động cơ được đo thông qua cảm biến dòng và đưa vào khối chuyển đổi Clarke. Tại đây, khối chuyển đổi Clarke
dùng thuật toán và các phương trình chuyển đổi từ hệ tọa độ 3 pha xoay chiều sang hệ tọa độ cố định gắn với stator (hệ tọa độ αβ ) và xuất ra tín hiệu dòng isα và isβ. Tín hiệu số của 2 dòng này được đưa vào khối chuyển đổi Park và được tính toán chuyển sang hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ dq) đưa ra 2 thành phần dòng isd và isq. Dòng điện isd tương đương với thành phần điều khiển từ trường còn isq không ảnh hưởng gì tới từ trường (tức là dòng điện đặt trong từ trường). Lúc này, chúng ta có thể áp dụng được cấu trúc điều khiển của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 1 nhánh điều khiển từ thông, 1 nhánh điều khiển dòng điện đặt trong từ trường.
Ở nhánh thứ nhất chúng ta thấy tốc độ mong muốn so sánh với tốc độ thực của động cơ (tốc độ đo bởi encoder) và sai lệch tốc độ này đưa vào bộ điều khiển tốc độ (PI), mạch vòng này là mạch vòng điều khiển tốc độ. Tại đây, bộ điều khiển tốc độ chứa thuật toán điều khiển để tính toán ra isq¿
. Dòng tính toán isq¿
được đưa đến mạch vòng điều khiển dòng điện. Ở mạch vòng điều khiển dòng điện, bộ điều khiển dòng điện (PI) sẽ nhận vào tín hiệu sai lệch giữa isq¿ và isq thực hiện tính toán và đưa ra tín hiệu điện áp u¿sq.
Nhánh thứ 2 là nhánh điều khiển từ thông. Tốc độ mong muốn ω¿được được đưa vào bộ điều khiển từ thông (PI). Tại đây, nó tính toán ra từ thông mong muốn và thành phần trục d bởi vì từ thông rotor tỷ lệ với thành phần dòng trục d. Thành phần isd¿
này được so sánh với isd thực và sai lệch này được đưa vào bộ điều khiển dòng điện (PI), bộ điều khiển này tính toán ra thành phần điện áp trục d isd¿ .
Sơ đồ này khác sơ đồ kinh điển T4R là chưa có xen kênh mà đi thẳng nên chất lượng của bộ điều khiển này không được tốt. Ở đây kết quả tính toán ra điện áp trên hệ tọa độ dq nên thông tin về điện áp mong muốn của động cơ chưa đầy đủ, cần có thông tin về vector từ thông rotor. Vetor từ thông này được tính toán bởi mô hình từ thông (Flux Model), từ thông tin dòng điện và tốc độ thực của động cơ để tính toán ra (bởi vì ở đây không có phản hồi về module của từ thông) nó chỉ cần góc pha của từ thông để thực hiện phép biến đổi về Park thuận và Park ngược.
Sau khi có được u¿sdvà u¿sq kết hợp với góc pha của vector từ thông rotor thực hiện phép biến đổi Park ngược đưa về hệ tọa độ cố định gắn với stator (hệ tọa độ αβ), u¿sα
và u¿sβ
để đưa vào khâu điều chế vector SVPWM tính toán tạo ra các chùm xung với mức logic 0 hoặc 1 khác nhau về thời gian độ rộng xung. Sau đó các xung này được đưa qua khâu khuếch đại (Gate Drive) và đưa đến kích thích đóng/mở các van của bộ nghịch lưu xoay chiều 3 pha.
Mạch hoạt động liên tục với tốc độ quay của động cơ bằng tốc độ mong muốn. Việc tính toán này được thực hiện lặp đi lặp lại theo từng chu kỳ lấy mẫu tín hiệu.