ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế điều khiển chống trượt cho bánh xe điện sử dụng bộ quan sát nhiễu

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế điều khiển chống trượt cho bánh xe điện sử dụng bộ quan sát nhiễu ĐỖ QUANG CƯỜNG cuong dq160534sis hust edu vn Ngành Tự động hóa Chuyên ngành Tự động hóa Công nghiệp Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Duy Đỉnh PGS TS Nguyễn Tùng Lâm Bộ môn Tự động hóa Công Nghiệp Viện Điện HÀ NỘI, 72021 Chữ ký của GVHD 2 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Thiết kế điều khiển chống trượt cho bánh xe điện sử dụng bộ quan sát nhiễu Giáo viên hướng dẫn Ký và ghi rõ họ tên 3 L.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Thiết kế điều khiển chống trượt cho bánh

xe điện sử dụng bộ quan sát nhiễu

ĐỖ QUANG CƯỜNG

cuong.dq160534@sis.hust.edu.vn

Ngành Tự động hóa Chuyên ngành Tự động hóa Công nghiệp

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Duy Đỉnh

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Thiết kế điều khiển chống trượt cho bánh xe điện sử dụng bộ quan sát nhiễu

Giáo viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ họ tên

Lời cảm ơn

Để Đồ án tốt nghiệp có thể hoàn thành tốt đẹp, em dã nhận được sự hỗ trợ, giúp

đỡ nhiệt tình từ nhiều cơ quan, tổ chức, cá nhân

Trước hết em xin gửi tới các thầy cô Bộ môn Tự động hóa Công Nghiệp – Viện Điện của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc Với sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của thầy cô, đến nay em đã có thể hoàn thành

Đồ án tốt nghiệp này

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và lời chúc sức khỏe tới 2 thầy giáo là PGS.TS Nguyễn Tùng Lâm - là người đã trực tiếp hướng dẫn em và tạo môi trường làm việc chuyên nghiệp với Mechatronics Engineering Group giúp em hoàn thành tốt Đồ án tốt nghiệp trong thời gian qua và TS Nguyễn Duy Đỉnh - người đã tạo điều kiện tích cực cho em làm việc với thầy Lâm

Sau cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành Đồ án tốt nghiệp

Tóm tắt nội dung đồ án

Ô tô điện đã và đang tạo làn sóng mạnh mẽ với ngành công nghiệp ô tô trên thế giới Thay vì sử dụng động cơ đốt trong, động cơ điện đã được sử dụng với các ưu điểm như là: hiệu suất cao, mật độ công suất lớn, không ồn, không phát thải khí ô nhiễm Để đáp ứng yêu cầu hiệu suất cao và độ chính xác của hệ thống truyền động, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn (IPMSM) là được sử dụng Động cơ được điều khiển ở chế độ momen nhằm điều chỉnh lực kéo của xe hay còn được gọi là lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường, từ đó độ trượt các bánh được tối ưu hóa giúp cho độ ổn định và khả năng tăng tốc của xe được cải thiện

Đồ án tốt nghiệp của em nghiên cứu vấn đề điều khiển chống trượt khi tăng tốc cho mô hình một phần tư ô tô điện sử dụng động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dựa trên thuật toán điều khiển backstepping và bộ quan sát nhiễu phi tuyến

Bộ quan sát cải thiện đáng kể bộ điều khiển momen động cơ, từ đó độ trượt của bánh xe bám theo giá trị đặt mong muốn giúp cho xe có thể tăng tốc nhanh chóng đồng thời loại bỏ nhiễu tác động

Với điều kiện thời gian, giới hạn về kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế của một sinh viên, khi hoàn thành Đồ án này không thể tránh được những thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để em có điều kiện

bổ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên Cường

Đỗ Quang Cường

Mục Lục

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 8

Giới thiệu chung 8

Sự phát triển của ô tô điện 9

Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) 10

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PMSM 11

Cấu tạo của động cơ PMSM 11

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn (IPMSM) 11

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi (SPMSM) 12

Nguyên lý hoạt động của động cơ PMSM 13

Mô tả toán học của động cơ PMSM 14

Phương trình trong hệ tọa độ stator dq 14

Chuyển đổi giữa hệ trục tọa độ stator ( dq ) sang hệ trục tọa độ quay rotor (dq r) 15

Chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ quay rotor (dq )r 16

Toán tử mất cân bằng trong hệ trục tọa độ 3 pha 18

Mối quan hệ giữa độ tự cảm của hệ trục tọa độ abc và hệ trục tọa độ rotor r dq 18

Công suất tiêu thụ của động cơ 20

Phương trình Momen của động cơ 20

Mô hình toán học của PMSM 22

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH EMR CỦA ĐỘNG CƠ IPMSM VÀ CỦA BÁNH XE 23

Giới thiệu chung về EMR 23

Nguyên lý cơ bản 23

Thư viện các phần tử cơ bản 24

Mô hình EMR của động cơ IPMSM và bánh xe 25

Mô hình toán học và luật điều khiển 25

Mô tả toán học của IPMSM 26

Các công thức bánh xe điện 27

Xây dựng chiến lược điều khiển cho mô hình 30

CHƯƠNG 4 BỘ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING 31

Mô hình toán học PMSM với bộ điều khiển phi tuyến 31

Thiết kế bộ điều khiển backstepping cho động cơ 32

Thiết kế bộ điều khiển momen 32

Thiết kế bộ điều khiển backstepping chống trượt cho bánh xe 34 CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT CHO ĐỘNG CƠ 37

Mô hình toán học của IPMSM có chứa tham số bất định 37

Thiết kế bộ quan sát cho động cơ 37

Thiết kế bộ điều khiển 40

Bộ backstepping cho điều khiển chống trượt của bánh xe 40

Thiết kế bộ điều khiển momen có sử dụng bộ quan sát nhiễu 40

CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 44

Thông số kỹ thuật 44

Mô phỏng hệ thống động cơ và bánh xe 45

Kết quả mô phỏng 46

Kết luận 50

Hướng phát triển đồ án tương lai 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Xe điện của Tesla 9

Hình 2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí chìm bên trong (IPM) 11

Hình 2.2 Các kiểu rotor nam châm vĩnh cửu cực ẩn 12

Hình 2.3 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí mặt ngoài (SPM) 13

Hình 2.4 Khung tham chiếu stator cố định và rotor quay 16

Hình 2.5 các cuộn dây 2 pha và 3 pha stator 17

Hình 3.1 Energy sources / environment 24

Hình 3.2 Conversion element 24

Hình 3.3 Distribution element 25

Hình 3.4 Accumulation element 25

Hình 3.5 Mô hình hệ thống được nghiên cứu 25

Hình 3.6 Biểu diễn quá trình điện của động cơ 26

Hình 3.7 Quá trình chuyển hóa giữa điện năng và cơ năng trong ô tô điện 26

Hình 3.8 Mô hình động cơ IPMSM 27

Hình 3.9 Mô hình mô tả động lực cơ học theo phương trình (3.6) 27

Hình 3.10 Biểu diễn bánh xe thông thường 27

Hình 3.11 Mô hình biểu diễn khung xe 28

Hình 3.12 Mô hình biểu diễn tương tác giữa bánh xe và mặt đường 30

Hình 3.13 Xây dựng chiến lược điều khiển cho mô mình nghiên cứu 30

Hình 6.1 IPMSM và FOC Torque Mode 45

Hình 6.2 Mô hình bánh xe và Traction Control 45

Hình 6.3 Bộ HGDOB được thiết kế theo các phương trình của (7.2) 46

Hình 6.4 Bộ HGDOB được thiết kế theo các phương trình của (7.3) 46

Hình 6.5 Độ trượt mong muốn và độ trượt phản hồi của bánh xe 46

Hình 6.6 Tốc độ thân xe và tốc độ bánh xe trên đường khô 47

Hình 6.7 Tốc độ thân xe và tốc độ bánh xe khi lăn bánh trên mặt đường ướt 47

Hình 6.8 Momen động cơ khi xe trên đường khô 47

Hình 6.9 Kết quả momen sau hộp số đồi với đường khô 48

Hình 6.10 Momen động cơ của xe khi xe trên đường ướt 48

Hình 6.11 Kết quả momen sau hộp số đồi với đường ướt 48

Hình 6.12 Tổng lực cản Fr 49

Hình 6.13 Dòng điện id và iq phản hồi đối với mặt đường khô 49

Hình 6.14 Dòng điện id và iq phản hồi khi xe trên mặt đường ướt 49

Hình 6.15 Lực kéo xe Ft trên mặt đường khô 50

Hình 6.16 Lực kéo xe Ft cần thiết trên mặt đường ướt 50

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 7.1 Thông số kỹ thuật của bánh xe 44Bảng 7.2 Thông số kỹ thuật động cơ IPMSM 44Bảng 7.3 Mặt đường và các hệ số tương ứng 44

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG Giới thiệu chung

Với ưu điểm hiệu suất cao, mật độ công suất lớn và dải tốc độ rộng, động cơ đồng

bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) đã trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho sản xuất điện gió, xe điện và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau Tuy nhiên, điểm yếu chính của PMSM là một hệ thống phi tuyến bậc cao phức tạp [1] với nhiều biến và các đặc tính đan xen kênh mạnh mẽ nên cần một bộ điều khiển phức tạp hơn đề có thể đạt được kết quả điều khiển với độ chính xác cao Trong những thập kỷ qua, nhiều phương pháp thiết kế khác nhau đã được phát triển để động cơ có thể tăng tốc nhanh chóng và khởi động trơn tru Điều khiển trưc tiếp momen (DTC) [2] hoặc điều khiển tựa từ thông rotor (FOC) [3] được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế truyền động PMSM Trong đó, phương án điều khiển FOC thường được sử dụng trong các ứng dụng thực tế bằng cấu trúc điều khiển tầng với các bộ tỷ lệ tích phân (PI) Mặc dù bộ điều khiển PI có cấu trúc đơn giản, nhưng nó có thể không đáp ứng được yêu cầu thực tế đối với các ứng dụng

có điều kiện làm việc thay đổi và nhiễu Cho đến nay, để đáp ứng yêu cầu hiệu suất cao và độ chính xác lớn của hệ thống truyền động PMSM, các kỹ thuật điều khiển phi tuyến khác nhau đã được áp dụng rộng rãi chẳng hạn như điều khiển dự đoán mô hình (model predictive control), điều khiển backstepping, điều khiển loại

bỏ nhiễu tích cực (active disturbance rejection control), điều khiển trượt (sliding mode control) hoặc điều khiển thông minh (intelligent control),… giúp nâng cao hiệu suất điều khiển động cơ ở các khía cạnh khác nhau Trong số các phương pháp trên, điều khiển backstepping là một phương pháp thiết kế có hệ thống và đệ quy cho hệ thống phi tuyến Bằng cách sử dụng luật điều khiển ảo thay đổi làm cho hệ thống bậc cao ban đầu được đơn giản hóa, do đó các đầu ra cuối cùng có thể được tính toán một cách có hệ thống thông qua các hàm Lyapunov phù hợp

Nó không chỉ đảm bảo sự ổn định hệ thống mà còn có hiệu quả về bám giá trị đặt tuyệt vời khi triển khai vào thực tế Tuy nhiên, người điều khiển cần có kiến thức đầy đủ về các thông số máy và điều kiện vận hành Nếu các thông số của máy được biết, backstepping là phương pháp điều khiển có thể đạt được sự chính xác cao Thực tế là hệ thống truyền động PMSM phải đối mặt với những sai số không thể tránh khỏi, chẳng hạn như sự thay đổi tham số, sự không ổn định của mô hình và momen tải tác động vào động cơ Nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cũng như giảm sự ảnh hưởng của các vấn đề như nêu bên trên, chúng ta thêm vào hệ thống điều khiển các bộ quan sát nhiễu phi tuyến, thay vì chỉ có bộ điều khiển backstepping thông thường, bộ điều khiển mới là phương pháp điều khiển mạnh

mẽ mới tổng hợp kỹ thuật điều khiển backstepping và bộ quan sát nhiễu phi tuyến,

có khả năng loại bỏ nhiễu đối với các tham số động cơ không chính xác Đồ án tốt nghiệp của em tập trung xây dựng bộ điều khiển chống trượt cho bánh xe ô tô đện Nội dung đồ án này có cấu trúc lần lượt như sau: chương 1: giới thiệu chung về xe điện (cụ thể ở đây là ô tô điện) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), chương 2 nói về cấu tạo và nguyên lý hoạt động và giới thiệu mô tả toán học của PMSM Trong khi chương ba, ta sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng EMR

(Energetic Macroscopic Representation[4]) để mô hình hóa hệ thống nghiên cứu của ta và dựa vào đó, xây dựng chiến lược điều khiển dựa trên hàm Lyapunov đã đuộc giới thiệu bên trên Chương 4 ta đi thiết kế bộ điều khiển backstepping chống trượt cho toàn hệ thống Và khi có nhiễu, ta sẽ xử lý bằng cách thiết kế bộ quan sát nhiễu phi tuyến, được trình bày ở chương 5 Cuối cùng, chương 6, bộ điều khiển backstepping được xây dựng kết hợp với kết quả ước lượng của các nhiễu phi tuyến được trong các lần thiết kế trước đó sẽ được mô phỏng trên phân mềm Matlab trên máy tính, kết quả mô phỏng và kết luận cũng được trình bày ở chương này

Sự phát triển của ô tô điện

Ô tô điện (cũng là xe ô tô chạy bằng pin hoặc xe hơi chạy bằng điện) là một chiếc

ô tô cắm điện với lực đẩy có được từ một hoặc nhiều động cơ điện, sử dụng năng lượng thường được lưu trữ trong pin sạc cho ô tô, thay vì động cơ đốt trong tạo ra năng lượng bằng cách đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và khí Không tiếng ồn, không

ô nhiễm, hiệu năng cao, bởi vì chạy bằng điện cho nên phương tiện không có khí thải và lược bỏ đi những bộ phận của hệ thống nhiên liệu lỏng thông thường như bình nhiên liệu, bơm nhiên liệu, đường ống nhiên liệu Vì vậy ô tô điện đang được

kì vọng sẽ trở thành phương tiện di chuyển chủ yếu ở hiện tại và tương lai và làm cho các xe sử dụng động cơ đốt trong trở thành lỗi thời vào năm 2025 So với xe động cơ đốt trong, ô tô điện chạy êm hơn, giảm đáng kể lượng khí thải gây ra biến đổi khí hậu và khói bụi, giải quyết vấn đề ô nhiễm gia tăng và cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, cải thiện sức khỏe cộng đồng và giảm thiệt hại sinh thái

Ô tô điện là một trong những phương pháp ưa thích để tạo lực đẩy ô tô vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, mang đến một mức độ thoải mái và dễ vận hành mà những chiếc xe ô tô chạy xăng không thể đạt được thời đó Năm 1859, Gaston Planté, nhà vật lý người Pháp bắt đầu phát minh ra pin sạc và các vật dụng dùng

để lưu trữ điện trên xe Đến năm 1880, nhà phát minh Gustave Trouvé đã tiến hành cải tiến một động cơ điện nhỏ và được hãng công nghệ Siemens phát triển cùng với pin sạc để gắn vào chiếc xe 3 bánh của James Starley, một nhà sáng chế người Anh Chiếc xe 3 bành này là phương tiện giao thông chạy bằng điện đầu tiên trên thế giới [5] Đến năm 1884 chiếc ô tô điện đầu tiên mới chính thức ra đời do nhà phát minh Thomas Parker chế tạo tại Wolverhampton, Anh Ở châu Âu, Pháp và Anh là hai quốc gia đầu tiên ủng hộ loại hình xe điện cho giao thông Tesla - hãng

xe điện đại diện của nước Mỹ - chứng tỏ khả năng đi đầu trên thị trường xe điện

Hình 1.1 Xe điện của Tesla

Nhận ra rằng xe điện chính là phương tiện giao thông tương lai nên các nhà sản xuất ô tô đang chịu một sức ép lớn về vấn đề công nghệ Nhiều quốc gia đã đặt mục tiêu cấm bán các loại xe chạy bằng xăng và dầu diesel trong tương lai, đáng chú ý là: Na Uy vào năm 2025, Trung Quốc và năm 2030, Ấn Độ vào năm 2030, Đức vào năm 2030, Pháp vào năm 2040 và Anh vào năm 2040 hoặc 2050 Một số chính quyền cấp nhà nước và địa phương đã thiết lập các khoản tín dụng thuế, trợ cấp và các ưu đãi khác để thúc đẩy việc giới thiệu và áp dụng trên thị trường các loại xe điện mới Tại Việt Nam, ô tô điện chỉ mới thực sự được bắt đầu quan tâm trong thời gian gần đây cùng với việc Công ty Vinfast thuộc tập đoàn Vingroup công bố sẽ sản xuất ô tô điện bắt đầu từ năm 2019 Ngôi sao trong triển lãm xe Paris Motor Show năm 2019 chính là xe ô tô điện, khi cuối cùng thì những thương hiệu cao cấp như Mercedes và Audi đã phải giành mối quan tâm đặc biệt để phát triển xe ô tô điện Điều này đã thu hút nhiều hãng xe lớn khác cũng như các nhóm nghiên cứu trong các trường đại học tập trung nghiên cứu, ứng dụng, và phát triển những công nghệ nhằm tối ưu hóa hiệu năng của xe điện

Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet synchronous motors - PMSM) là một dạng đặc biệt của máy điện đồng bộ Động cơ đồng bộ thông thường có cuộn dây quấn phần ứng và cuộn dây quấn kích từ ở rotor được cấp dòng điện một chiều qua chổi than và vành trượt Điều đó gây tổn hao rotor, thường xuyên phải bảo dưỡng chổi than, làm giảm tuổi thọ máy Đây là lý do chính đòi hỏi phải phát triển PMSM Nhằm khắc phục những nhược điểm của máy điện đồng bộ thông thường như đã trình bày ở trên, người ta thay cuộn kích từ, nguồn kích từ một chiều, chổi than vành trượt bằng một nam châm vĩnh cửu Vì thế máy PMSM cần phải có suất điện động cảm ứng hình sin, dòng điện phải có dạng hình sin để tạo ra momen điện từ không đổi giống như ở máy đồng bộ thông thường Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có rất nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác đang sử dụng cho truyền động điện xoay chiều Ở động cơ dị bộ dòng stator vừa để tạo từ trường vừa để tạo momen, khi sử dụng nam châm vĩnh cửu ở rotor, động cơ PMSM không cần cấp một dòng điện kích từ qua stator để tạo từ thông không đổi ở khe hở không khí, dòng stator chỉ cần để tạo momen Như vậy, với cùng một đại lượng ra động cơ PMSM sẽ làm việc với hệ số cos lớn vì không cần dòng kích từ, dần đến hiệu suất động cơ sẽ cao hơn

Do có ưu điểm nhỏ gọn để tiết kiệm không gian, điện năng tiêu thụ ít hơn 30% so với động cơ điện thông thường, không có cổ góp và chổi than nên không có hiện tượng tia lửa điện nên ứng dụng của PMSM rất rộng rãi trong công nghiệp Động

cơ PMSM công suất lớn được sử dụng trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió, robot Động cơ đồng bộ công suât nhỏ được sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ điện, dụng cụ tự ghi Đặc biệt, với những lợi thế bao gồm tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao, hiệu suất cao, kết cấu chắc chắn, mô-men xoắn thấp, vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong

xe điện Hệ thống động cơ điện có thể được coi là trái tim của xe điện

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PMSM Cấu tạo của động cơ PMSM

Về cơ bản cấu tạo của PMSM cũng gần giống như động cơ đồng bộ thông thường Stator của PMSM giống như động cơ đồng bộ thông thường đều sử dựng các lá thép kỹ thuật ghép lại với nhau Bên trong có xẻ rảnh để đặt dây quấn Động

cơ PMSM có 3 cuộn dây quấn phân tán hình sin trên chu vi stator Ba cuộn dây được cấp 3 điện áp xoay chiều Dạng dòng điện trong cuộn dây là hình sin hoặc gần hình sin Sự phân bố từ thông ở khe hở không khí có dạng hình sin hoặc gần hình sin Rotor của PMSM là một nam châm vĩnh cửu được cấu trúc sao cho sự phân bố độ tự cảm (hoặc mật độ từ thông) là hình sin Có suất năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn bên trong (cực ẩn) hoặc bên ngoài (cực lồi) lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao Theo kết cấu của động cơ ta có thể chia PMSM ra thành hai loại: Động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi mà ta xét dưới đây để thấy rõ đặc điểm cấu tạo của từng loại máy điện này

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn (IPMSM)

Rotor của máy điện cựu ẩn thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt được cấu trúc cơ học bền vững hơn Máy này được gọi là máy từ trường hướng kính (rotor trụ dài), nó hay được

sử dụng trong các máy công cụ Trong trường hợp này các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép rotor về mặt vật lý coi là không có sự thay đổi nào của bề mặt hình học các nam châm Mỗi nam châm được bọc bởi một mảng cực thép nên

nó làm mạch từ của máy thay đổi khá mạnh, vì do các mảng cực thép này tạo ra các đường dẫn từ sao cho từ thông cắt ngang các cực này và cả trong không gian vuông góc với từ thông nam châm Do đó hiệu ứng cực lồi là rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh momen của máy điện như Hình 2.1 bên dưới

Hình 2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin,

cực từ bố trí chìm bên trong (IPM)

Với yêu cầu của truyền động servo là vận hành phải êm, do đó cần phải hạn chế momen răng (rãnh) và momen đập mạch do các sóng hài không gian và thời gian sinh ra Để đạt được điều này người ta thường tạo hình cho các nam châm, uốn các nam châm lượn chéo theo trục rotor, uốn rãnh và dây quấn stator kết hợp với tính toán số răng và kích thước của nam châm Kỹ thuật tạo ra các rotor xiên

là khá đắt tiền và phức tạp Trong điều kiện bình thường của truyền động servo, nếu momen điều hoà răng cỡ 2% momen định mức thì có thể coi là chấp nhận được Tuy nhiên có thể hạn chế được đa số các momen điều hoà răng (rãnh) trong truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cấp từ bộ biến đổi bằng cách sử dụng bộ biến đổi chất lượng cao và các bộ điều khiển có chứa các phần tử đo chính xác các thông số hoạt động như tốc độ, vị trí của động cơ Trong các máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển, trên stator có các răng, ngày nay ta có thể chế tạo stator không răng Trong trường hợp này dây quấn stator được chế tạo từ bên ngoài sau

đó được lồng vào và định vị trong stator Máy điện như vậy sẽ không đập mạch ở tốc độ thấp và tổn thất sẽ giảm, tăng được không gian hơn cho dây quấn stator, nên

có thể sử dụng dây quấn tiết diện lớn hơn và tăng dòng điện định mức của máy điện do đó tăng được công suất của máy Nhưng khe hở không khí lớn gây bất lợi cho từ thông khe hở nên phải chế tạo rotor có đường kính lớn hơn và có bề mặt nam châm lớn hơn Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn có nhiều kiểu rotor khác nhau Dưới đây là ba kiểu rotor thường gặp trong thực tế

Cấu trúc nam châm chìm có ưu điểm là độ bền cơ học cao và tỷ lệ cao giữa các cuộn cảm cầu phương và cầu trực tiếp, tương ứng Có nhiều cách sắp xếp nam châm trên rotor khác nhưng chúng rất hiếm khi được sử dụng trong thực tế công nghiệp nói chung

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi (SPMSM)

Rotor máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên đường kính rotor có thể lớn, trong khi chiều dài lại nhỏ Tỷ số “chiều dài/ đường kính” nhỏ Rotor thường

là đĩa nhôm hay nhựa trọng lượng nhẹ có độ bền cao Các nam châm được gắn chìm trong đĩa này Các loại máy này thường được gọi là máy từ trường hướng trục (hay rotor đĩa) Loại này hay được sử dụng trong kỹ thuật robot như ta thấy ở Hình 2.3 bên dưới đây

Hình 2.2 Các kiểu rotor nam châm vĩnh cửu cực ẩn.

Hình 2.3 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ

bố trí mặt ngoài (SPM)

Hình 2.3 cho thấy các nam châm được gắn bên trên ở bề mặt rotor Sự sắp xếp này cung cấp mật độ thông lượng khe hở không khí cao nhất vì nó trực tiếp tiếp xúc với khe hở không khí mà không bị bất kỳ gián đoạn nào khác, chẳng hạn như một phần của lớp rotor Hạn chế của sự sắp xếp như vậy là tính toàn vẹn cấu trúc và độ bền cơ học thấp hơn vì chúng không được đặt chặt vào các phần của rotor Trong thực tế, các nam châm được chôn vào các lớp rotor cung cấp một số

độ bền cơ học và bằng cách sử dụng băng Kavilor, nam châm được gắn vào rotor,

do đó củng cố độ bền cơ học của rotor và nam châm Các máy có sự sắp xếp nam châm này được gọi là PMSM gắn trên bề mặt Chúng không được ưa thích cho các ứng dụng tốc độ cao, thường lớn hơn 3000 (rpm) nhưng các máy có đường kính cánh quạt rất nhỏ có thể được tìm thấy và có tốc độ trong phạm vi 50.000 (rpm)

Sự thay đổi trở cảm giữa các trục trực tiếp và cầu phương là khá nhỏ trong máy này khi nhìn từ cấu trúc của nó

Theo đó, có rất ít (dưới 10%) sự chênh lệch giữa độ tự cảm của trục cầu phương 𝐿𝑑 và trục trực tiếp 𝐿𝑞 trong máy này Thực tế sai số này có hậu quả đối với việc điều khiển, vận hành và đặc điểm của các rotor gắn nam châm trên bề mặt trong PMSM

Nguyên lý hoạt động của động cơ PMSM

Việc khởi động động cơ PMSM cũng gần giống với việc khởi động động cơ đồng bộ thông thường Nhưng không cần đưa nguồn kích từ vào rotor vì là rotor nam châm vĩnh cửu Cụ thể khi cấp 3 dòng điện hình sin vào 3 cuộn dây stator sẽ xuất hiện từ trường quay với tốc độ:

s

f là tần số dòng điện

p là số đôi cực

Do từ trường của nam châm vĩnh cửu là từ trường không đổi không quay, sự tác động giữa từ trường quay với từ trường không đổi tạo momen dao động, giá trị trung bình của momen này là 0 Để máy điện có thể làm việc được phải quay nam châm vĩnh cửu tới tốc độ bằng tốc độ từ trường, lúc đó momen trung bình của động

cơ sẽ khác 0 Việc đưa nam châm vĩnh cửu đạt tới tốc độ từ trường là phương pháp khởi động động cơ đồng bộ thông thường mà ta đã nghiên cứu trước đây Đó là sử dụng động cơ sơ cấp lai ngoài, phương pháp này đắt tiền, cồng kềnh nên ít được

sử dụng phổ biến Phương pháp được sử dụng phổ biến nhất đó là phương pháp khởi động đồng bộ Sau khi khởi động mới đặt tải lên động cơ Như vậy máy đồng

bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm quay đồng bộ với từ trường quay, hay còn gọi là quay với tốc độ đồng bộ Phần lớn các nghiên cứu về PMSM tập trung vào hoạt động của động cơ này được cung cấp từ điện áp lưới Cuộn dây dập dao động được sử dụng để khởi động máy điện theo nguyên lý hoạt động của máy dị bộ sau

đó kéo máy vào đồng bộ bằng sự phối hợp của momen dao động và momen đồng

bộ sinh ra do nam châm vĩnh cửu Trong khi khởi động, nam châm vĩnh cửu sinh

ra momen hãm chống lại momen tạo ra theo nguyên lý động cơ dị bộ của cuộn dập dao động Vì vậy momen cung cấp bởi cuộn ổn định phải lớn hơn momen hãm, tải

và quán tính để động cơ chạy thành công

Mô tả toán học của động cơ PMSM

Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến mức tối đa đối tượng cần điều chỉnh Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh Tuy nhiên mô hình được xây dựng ở đây chủ yếu là để phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Để đơn giản hoá mô hình có lợi cho việc thiết kế sau này, trong phạm vi sai lệch cho phép

5 Các cuộn dây của stator được bố trí đối xứng về mặt không gian

6 Các giá trị điện trở, điện cảm coi là không đổi

Phương trình trong hệ tọa độ stator dq

Điện áp của stator trục d và q là tổng của điện áp rơi trên điện trở và đạo hàm của các liên kết từ thông trong các cuộn dây tương ứng được thể hiện như sau:

i i tương ứng là dòng điện stator theo trục q và d

qs, ds là tổng từ thông theo trục q và d của stator

d p dt

= là đạo hàm theo thời gian

Từ thông liên kết theo 2 trục q và d bao gồm tự cảm theo trục q (L qq), tự cảm theo trục d (Ldd), hỗ cảm trục d tác dụng lên q và ngược lại (L dq, L qd), từ thông của nam châm vĩnh cửu (af) của rotor.Khi đó, liên kết từ thông q và d của stator được viết dưới dạng:

sincos

d và q sau đó có thể được viết theo các liên kết từ thông Thay (2.3) vào (2.2), ta

được các phương trình điện áp khi đó là:

sincos

( ) ( ) ( ) ( )

1

cos(2 )2

1

cos(2 )2

1( ) sin(2 )2

Trong mặt phẳng của hệ tọa độ dq, ta định nghĩa một hệ tọa độ thứ 2 có trục hoành

𝑑𝑟 và trục tung 𝑞𝑟, hệ tọa độ thứ 2 này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc

𝜃𝑟 so với hệ tọa độ stator (hệ tọa độ dq) Trong đó, r d r

dt



 = quay tròn quanh gốc tọa độ chung, góc r =r t+r0 Hệ quy chiếu quay với tốc độ như trên được gọi

là hệ quy chiếu rôto Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector trong không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này Hình 2.4 cho ta mô tả mối liên hệ của hai hệ tọa

độ này

Hình 2.4 Khung tham chiếu stator cố định và rotor quay

Ma trận chuyển đổi các đại lượng từ hệ trục tọa độ rotor sang hệ trục tọa độ stator:

Bằng việc sử dụng hệ thức chuyển đổi trên, áp dụng vào biểu thức (2.3) ta có được

phương trình điện áp ở hệ trục tọa độ rotor:

Chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ quay rotor (dq )r

Mô hình đã được phát triển cho đến nay là cho PMSM hai pha PMSM ba pha là phổ biến và máy hai pha hiếm khi được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp Một mô hình động cho PMSM ba pha có thể được lấy từ máy hai pha nếu

sự tương đương giữa ba pha và hai pha được thiết lập Sự tương đương dựa trên sự

-+ -

qs v

r dsir dsv

dsidsv

af



cân bằng của lực từ được tạo ra trong hai pha và ba pha của cuộn dây và còn có cường độ bằng nhau

Hình 2.5 cho thấy cuộn dây ba pha và hai pha của stator Giả sử rằng mỗi cuộn dây ba pha có T1 vòng dây mỗi pha và có cường độ dòng điện bằng nhau, cuộn dây hai pha sẽ có 3 1

2T vòng dây cho mỗi pha trong phương trình lực từ Các lực tự theo trục d và q được tính bằng cách giải các phương trình lực từ của ba pha dọc theo trục d và q Trục q ở đây được giả sử là bị chậm pha so với trục a một góc

𝜃𝑟

c

Hình 2.5 các cuộn dây 2 pha và 3 pha stator

Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dqo là:

T − , Phép biến đổi này cũng

có thể được coi là chuyển từ trục ba pha (abc) sang trục ba (qdo) mới Ta có ma trận  1

Khi đó ta có được công thức chuyển đổi tổng quát giữa hệ tọa độ 3 pha tĩnh abc và

hệ tọa độ rotor quay qdo:

 

 

0

1 0

Toán tử mất cân bằng trong hệ trục tọa độ 3 pha

Dưới sự mất cân bằng điện áp hoặc dòng điện trong cuộn dây ba pha, mối

tương quan vốn có giữa các dòng điện ba pha, nghĩa là tổng của chúng bằng 0

không giữ được nữa Sau đó, cách duy nhất mà chúng ta có thể được biểu diễn

trong các biến dq là thêm thuật ngữ chuỗi số không Điện áp tại điểm 0 mất cân

bằng giữa 3 pha abc được viết tổng quát thành công thức như sau:

0

i : đại diện cho sự mất cân bằng dòng điện giữa 3 pha a, b, c Lưu ý rằng dòng 0

không đi qua điện trở của stator Trong một máy ba pha cân bằng, tổng dòng điện

ba pha bằng 0 (ias + + ibs ics = 0), dẫn đến dòng không có giá trị bằng 0

Liên kết từ thông cuộn dây ba pha có thể thu được bằng cách chuyển đổi từ

trục qdo sang abc và sau đó các cuộn cảm pha có thể xuất phát từ đó mối quan hệ

giữa độ tự cảm chuỗi 0 và tự pha và tự cảm lẫn nhau có thể được thiết lập

Phương trình từ thông liên kết theo hệ trục rotor(dq r):

Bằng cách sử dụng phép chuyển đổi hệ trục tọa độ rotor (dq r) sang hệ trục tọa độ

abc tìm ra phương trình từ thông liên kết của pha a trong hệ trục tọa độ (abc):

Thay thế các liên kết từ thông trong hệ tọa độ rotor (dq r) từ (2.17) vào biểu thức

từ thông liên kết pha a trong hệ tọa độ abc của biểu thức (2.18), ta được:

Phương trình dòng điện ở hệ trục tọa độ rotor (dq r) có được bằng việc sử dụng

phép chuyển đổi abc sang (dq r) qua ma trận T abc:

Qua đó ta thấy được mối liên hệ giữa độ tự cảm và hỗ cảm L aa,L ab,L ac với các độ

tự cảm trục trực tiếp L d và độ tự cảm trục cầu phương L qvà độ tự cảm thứ tự không

0

L Tương tự như vậy dựa vào việc chuyển đổi abc sang ( r)

dq các phương trình sau:

Ta sẽ tìm được mối liên hệ giữa L bb,L ba,L bc,L cc,L ca,L với cb L L L d, q, 0

Công suất tiêu thụ của động cơ

Đầu vào nguồn cho máy ba pha phải bằng đầu vào nguồn cho máy hai pha

để có sự diễn giải ý nghĩa trong mô hình hóa, phân tích và mô phỏng Đầu vào công suất tức thời ba pha là:

Phương trình Momen của động cơ

Momen điện từ là biến đầu ra quan trọng nhất, quyết định động lực học cơ học của máy như vị trí và tốc độ quay Nó bắt nguồn từ phương trình ma trận máy bằng cách xem xét công suất đầu vào và các thành phần khác nhau của nó như tổn thất điện trở, công suất cơ học và tốc độ thay đổi của năng lượng từ tính được lưu trữ Lý luận cơ bản dẫn đến thực tế là không thể có một thành phần năng lượng do

sự ra đời của các khung tham chiếu Tương tự, tốc độ thay đổi của năng lượng từ tính được lưu trữ chỉ có thể bằng 0 ở trạng thái ổn định Do đó, công suất đầu ra là

sự khác biệt giữa công suất đầu vào và tổn thất điện trở ở trạng thái ổn định Lưu

ý rằng, một cách linh hoạt, tốc độ thay đổi của năng lượng từ tính được lưu trữ

không cần phải bằng không Dựa trên những quan sát này, việc tạo ra momen xoắn điện từ được thực hiện như sau

Phương trình động học của PMSM có thể được viết là:

i G  là công suất khe hở không khí i

Từ các nguyên tắc cơ bản, người ta biết rằng công suất khe hở không khí phải được liên kết với tốc độ rotor Công suất khe hở không khí là tích của tốc độ rotor cơ học và momen điện từ Do đó, momen khe hở không khí, T e, là được lấy từ các thuật ngữ liên quan đến tốc độ rotor,  , như: m

3 2

P a là công suất khe hở không khí

 là tốc độ cơ của rotor m

 là tốc độ điện của rotor r

Từ đó ta có phương trình momen điện từ:

Mô hình toán học của PMSM

Từ mục 2.3.1 và 2.3.7 ta thu được các phương trình của (2.9) và phương trình

(2.40), đây là các phương trình rất quan trọng mô tả toán học của động cơ PMSM

Ta viết lại các phương trình trên như sau:

= là đạo hàm theo thời

gian, các phương trình của (2.41) có thể được viết lại như sau:

Các phương trình trong (2.42) là các phương trinh rất quan trọng và cần thiết để

phục vụ cho việc mô hình hóa và mô phỏng, thiết kế bộ điều khiển và bộ quan sát cho động cơ Và để cho đơn giản, từ giờ ta sẽ thay thế các chỉ số cho hệ tọa độ quay rotor như sau: r

qs

a sẽ thay đổi đơn giản thành a q Ví dụ i qs r →i q, i ds r →i d

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH EMR CỦA ĐỘNG CƠ IPMSM VÀ CỦA BÁNH

XE Giới thiệu chung về EMR

Biểu diễn vĩ mô năng lượng (EMR - Energetic Macroscopic Representation) đã được giới thiệu vào năm 2000 để nghiên cứu phát triển trong các hệ thống truyền động cơ điện phức tạp, đặc biệt là các hệ thống truyền động EMR dựa trên nguyên tắc hành động - phản ứng để tổ chức kết nối giữa các mô hình của các hệ thống con theo quan hệ nhân quả vật lý (tức là quan hệ nhân quả tích phân) Mô tả này nêu bật các thuộc tính năng lượng của hệ thống (tích lũy, chuyển đổi và phân phối năng lượng) Hơn nữa, việc đảo ngược mô phỏng EMR của đối tượng một cách có

hệ thống bằng cách sử dụng các quy tắc đảo ngược cụ thể, sẽ giúp ta có cách thức, phương pháp để điều khiển đối tượng Các ký tự, các khối phục vụ cho việc mô phỏng EMR được phát triển trong nhiều phần mềm khác nhau để tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng nó (MATLAB-Simulink, AMESIM, PSIM, TYPHOON HiL, v.v.)

Tóm lại, các đặc điểm khác biệt của EMR nằm ở sự rõ ràng của các khái niệm vật lý, cũng như quan hệ nhân quả vật lý của chúng và mô tả chức năng của nó chứ hơn là mô tả cấu trúc Do đó, nó góp phần đáng kể vào việc thiết kế kiểm soát và quản lý năng lượng của hệ thống

Nguyên lý cơ bản

Dù linh hoạt trong ứng dụng, phương pháp EMR có những nguyên lý cơ bản buộc phải tuân thủ trong quá trình xây dựng mô hình để thể hiện được ý nghĩa về năng lượng Các nguyên lý cơ bản của phương pháp được trình bày ở bên dưới

Nguyên lý tương tác (Interaction principle): Hệ thống biểu tượng được trình bày

cụ thể trong mục 3.1.2 Các phần tử trong hệ thống liên kết hai chiều với nhau dựa trên nguyên lý tác động (action) và phản ứng (reaction) Tích giữa giá trị đại lượng tác động và phản ứng là năng lượng trao đổi giữa các phần tử

Nguyên lý nhân quả (Causality principle): Tính nhân quả tích phân được sử dụng

trong phương pháp, điều này thể hiện trong phần tử tích lũy (accumulation element) diễn tả mối quan hệ phụ thuộc vào thời gian giữa các biến (cụ thể ở đây, các biến đầu ra là tích phân của các biến đầu vào) Tất cả các loại phần tử còn lại của phương pháp đều dành cho mô tả các mối quan hệ không có sự phụ thuộc vào thời gian

Nguyên lý nghịch đảo (Inversion principle): Với mong muốn thu được giá trị đại

lượng đặt vào từ đầu ra mong muốn, cấu trúc điều khiển của hệ thống xem như mô hình nghịch đảo từng phần tử Có hai loại mô hình nghịch đảo, phụ thuộc vào phần

tử EMR: Mô hình nghịch đảo trực tiếp: Áp dụng khi phần tử EMR không có tính tích lũy Mô hình nghịch đảo gián tiếp: Áp dụng khi phần tử EMR có tính tích lũy (vi - tích phân - như đã phân tích), trong trường hợp này, tín hiệu đầu vào cần thêm các đại lượng đo lường từ hệ thống, có thể sử dụng bộ điều khiển kinh điển (ví dụ như PID) trong hệ phản hồi vòng kín thông thường

Thư viện các phần tử cơ bản

Dưới đây trình bày các phần tử cơ bản trong phương pháp EMR Như một chú ý nhỏ khi đọc mô hình EMR, ngoài việc phân biệt phần tử theo chức năng năng lượng như dưới đây, có một quy ước biểu tượng (pictogram) chung Quy ước này chỉ ra rằng một phần tử mô hình hóa một quá trình chuyển đổi năng lượng trong một dạng vật lý (mono-physical) sẽ có hình vuông, mặt khác, phần tử mô hình hóa một quá trình chuyển đổi năng lượng giữa các dạng vật lý khác nhau (multi-physical) sẽ được thể hiện bằng hình tròn[6]

Nguồn năng lượng / môi trường (energy source / environment): Các phần tử thuộc

dạng này được coi là điểm đầu cuối của hệ thống (Hình 3.1)

Phần tử chuyển đổi (Conversion element): Năng lượng đi qua phần tử này được

bảo toàn Thuật ngữ chuyển đổi hàm ý việc chuyển hóa năng lượng trong một dạng vật lý hay giữa các dạng vật lý với nhau (Hình 3.2)

Phần tử phân tán (Distribution element): Đây là một dạng của phần tử chuyển đổi,

chỉ khác ở điểm, với phần tử phân tán, luồng năng lượng có thể được phân chia thành nhiều hướng (Hình 3.3)

Có hình dạng: hình bầu dục Background: màu xanh lợt Đường viền: màu xanh lá cây đậm

1 đầu vào

1 đầu ra

Hình dạng: + Hình vuông cho chuyển đổi đơn dạng vật

lý + Hình tròn cho chuyển đổi đa dạng vật lý Background: màu da cam

Đường viền: màu đỏ Một cặp véc-tơ I/O theo chiều xuôi (downstream) Một cặp véc-tơ I/O theo chiều ngược (upstream) Possible tuning vector

Hình 3.1 Energy sources / environment.

Hình 3.2 Conversion element.

Phần tử tích lũy (Accumulation element): Dạng phần tử cho phép năng lượng trong

hệ được tích lũy (Hình 3.4)

Mô hình EMR của động cơ IPMSM và bánh xe

Mô hình toán học và luật điều khiển

Hình 3.5 Mô hình hệ thống được nghiên cứu

Có dạng hình chữ nhật với một đường chéo bên trong

Background: màu da cam Đường viền: màu đỏ Một cặp véc-tơ I/O theo chiều xuôi (downstream) Một cặp véc-tơ I/O theo chiều ngược (upstream)

Hình dạng: + 2 hình vuông trồng chéo cho chuyển đổi đơn dạng vật lý

+ 2 hình tròn cho chồng chéo cho chuyển đổi đa dạng vật lý

Background: màu da cam Đường viền: màu đỏ Không có tuning vector

Hình 3.3 Distribution element.

Hình 3.4 Accumulation element.

Mô hình kết nối động cơ với bánh xe được trình bày tổng quát như trên Hình 3.5 Trong đó hộp số thể hiện các quan hệ tốc độ góc và momen theo tỷ số truyền

gear

k > 1

Mô tả toán học của IPMSM

Quá trình điện của động cơ IPMSM trong hệ tọa độ d-q được mô tả dựa trên hệ phương trình:

Trong đó  là tốc độ điện của động cơ Hình 3.6 biểu diễn quá trình điện của động

cơ [7] Bên cạnh đó, công thức chuyển hệ tọa độ Park từ hệ trục a-b-c sang hệ trục d-q được sử dụng Phần tử chuyển đổi đa dạng vật lý cũng được đưa vào nhằm mô

tả quá trình chuyển hóa giữa điện năng và cơ năng trong ô tô điện sinh mômen điện từ:

Phương trình (3.3) và (3.4) tạo thành một sự chuyển đổi điện từ được mô tả như

Hình 3.7 bên dưới đây[7]:

dq u

dq i

dq i

dq e

Hình 3.6 Biểu diễn quá trình điện của động cơ.

dq i

dq e

em T

em



Hình 3.7 Quá trình chuyển hóa giữa điện năng và cơ năng

trong ô tô điện.