Điều khiển tốc độ không dùng cảm biến trong động cơ PMSM

năm 20..… NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phan Trọng Nghiệp Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23/02/1985 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 144183

-

PHAN TRỌNG NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ KHÔNG DÙNG CẢM

BIẾN TRONG ĐỘNG CƠ PMSM

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2016

-

PHAN TRỌNG NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ KHÔNG DÙNG CẢM

BIẾN TRONG ĐỘNG CƠ PMSM

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2016

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 12 tháng 03 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

5 TS Dương Thanh Long Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TP HCM, ngày … tháng… năm 20 …

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phan Trọng Nghiệp Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 23/02/1985 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1441830016

I- Tên đề tài:

Điều khiển tốc độ không dùng cảm biến trong động cơ PMSM

II- Nhiệm vụ và nội dung:

 Tìm hiểu các phương pháp điều khiển PMSM bằng phương pháp điều khiển

FOC

 Mô hình hóa mô phỏng điều khiển PMSM bằng phần mềm

MATLAB/SIMULINK bằng phương pháp điều khiển không cảm biến

 Thực nghiệm điều khiển PMSM bằng phần mềm MATLAB/SIMULINK

bằng phương pháp điều khiển không cảm biến với bộ quan sát vận tốc và vị

trí dựa theo điều khiển trượt

III- Ngày giao nhiệm vụ: ngày … tháng … năm 20 …

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ngày … tháng … năm 20 …

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…

Phan Trọng Nghiệp

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Nguyễn Thanh Phương, người đã

tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện quyển luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện- Điện Tử trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM, các cán bộ phòng Đào Tạo đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập và trong quá trình hoàn thành quyển luận văn này

Tôi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện

để tôi hoàn thành luận văn này

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở bên tôi và động viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này

Phan Trọng Nghiệp

TÓM TẮT

Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp bởi các ưu điểm vượt trội so với các động cơ khác đó là hiệu suất cao, mật độ công suất cao, có vùng công suất không đổi lớn Để đạt được hiệu suất cao trong điều khiển hướng từ thông thì thông tin chính xác về vị trí rotor, thường được

đo bằng các các bộ bộ mã hóa và các bộ phân tích, là không thể thiếu Tuy nhiên, việc

sử dụng các cảm biến sẽ làm tăng giá thành, kích thước, khối lượng và làm phức tạp hệ thống dây điện và sẽ giảm đi sức mạnh động cơ và giảm độ tin cậy của toàn hệ thống truyền động PMSM Mục đích của nghiên cứu trong luận văn là phát triển một hệ thống điều khiển không cảm biến vận tốc rotor nhằm thay thế cho phương pháp điều khiển có cảm biến thông thường

Trong vấn đề này đã có nhiều phương pháp điều khiển không cảm biến khác nhau được đề xuất Với dãy tốc độ trung bình và nhanh, bộ tính toán vị trí dựa trên bộ quan sát giống chế độ trượt được đề xuất để ghi nhận thông tin vị trí rotor Trong vùng vận tốc thấp, bộ giám sát theo dõi cực lồi thường được sử dụng để tính toán vị trí rotor cho các động cơ PMSM cực lồi Trong các phương pháp được đề xuất, mỗi phương pháp được áp dụng cho mỗi dãy vân tốc khác nhau Đối với các động cơ PMSM có yêu cầu dãy vận tốc vận hành rộng thì đây là một bất lợi Luận văn đề xuất áp dụng bộ giám sát trượt vào việc ước lượng vận tốc/vị trí của rotor trong luận văn sẽ giảm được nhược điểm sai số trong quá trình tính toán ở các dãy vận tốc khác nhau

Điều khiển không cảm biến được đề xuất cung cấp một giải pháp hiệu quả để giải quyết các vấn đề phát sinh trong việc sử dụng cảm biến vị trí trong hệ thống điều khiển PMSM Đầu tiên, nó cung cấp một thay thế cho các phương pháp điều khiển dựa trên cảm biến hiện tại cho PMSM với giảm chi phí, kích thước, trọng lượng, và độ phức tạp phần cứng Thứ hai, nó có thể được sử dụng như là một bổ sung (sao lưu) trong các hệ thống điều khiển dựa trên cảm biến khi hỏng cảm biến xảy ra Hơn nữa, các ước tính vị trí/tốc độ rotor và trạng thái biến số của các PMSM có thể được sử dụng để theo dõi

tình trạng của các cảm biến vị trí và các thành phần khác trong hệ thống truyền động PMSM

Ngoài ra luận văn sử dụng các bộ điều khiển PI với các phương pháp thiết kế bộ

PI số khác nhau như Euler Forward, Euler Backward, Tustin trong điều khiển vận tốc PMSM nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của các phương pháp điều khiển số khác nhau vào quá trình điều khiển vận tốc động cơ PMSM

ABSTRACT

Permanent-magnet synchronous machines (PMSMs) are widely used in industrial applications owing to their distinctive advantages, such as high efficiency, high power density, and wide constant power region To achieve high-performance field oriented control, accurate rotor position information, which is usually measured by rotary encoders or resolvers, is indispensable However, the use of these sensors increases the cost, size, weight, and wiring complexity and reduces the mechanical robustness and the reliability of the overall PMSM drive systems The goal of the research for this dissertation was to develop a rotor position/speed sensorless control system with performance comparable to the sensor-based control systems for PMSMs over their entire operating range

In this work, different sensorless control methods were developed for different speed regions In the medium and high speed regions, quasi-sliding-mode observer based position estimators were proposed to obtain rotor position information In the low-speed region, saliency tracking observers are commonly used for rotor position estimation of salient-pole PMSMs Among proposed approachs, each approach was applied for a specification speed region For wide speed region PMSM, which can operate in the wide speed region, there are the limitation for conventional methods The thesis proposed using sliding-mode observer for rotor position/speed estomation due to reduce limitation of different approach

The proposed sensorless control offers an effective means to solve the problems incurred in using position sensors in PMSM control systems Firstly, it provides an alternative to existing sensor-based controls for PMSMs with reduced cost, size, weight, and hardware complexity Second, it can be used as a supplementary (backup) function in the sensor-based control systems, when the sensor failure occurs Moreover, the estimated rotor position and speed and other state variables of the

PMSMs can be used for condition monitoring of the position sensors and other components in the PMSM drive system

In addition, the thesis use PI regulator with different PI regulator design methods such as Euler Forward, Euler Backward, Tustin for PMSM speed control for evaluating the effection of different digital signal processing to PMSM speed control

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC vii

MỤC LỤC CÁC HÌNH x

Chương 0: GIỚI THIỆU 1

I Đặt vấn đề 1

II Mục tiêu của luận văn 2

III Nhiệm vụ của luận văn 3

IV Phạm vi nghiên cứu 4

V Phương pháp nghiên cứu 4

VI Điểm mới của luận văn 4

VII Giá trị thực tiễn của đề tài 5

Chương 1: TỔNG QUAN 6

1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu PMSM 6

1.2 Ứng dụng truyền động của PMSM 7

1.3 Vật liêu làm nam châm vĩnh cửu 9

1.4 Phương trình toán của PMSM 11

1.4.1 Phương trình toán trong miền pha abc 11

1.4.2 Phương trình trong hệ tọa độ trực giao dq0 16

1.5 Bộ điều khiển vector không gian 18

1.6 Điều khiển vector không gian không cảm biến vị trí rotor của điều khiển PMSM 20 1.7 Hướng nghiên cứu của luận văn 21

Chương 2: ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC PMSM KHÔNG CẢM BIẾN 23

2.1 Kỹ thuật ước lượng vị trí/vận tốc rotor cho PMSM 23

2.1.1 Phương pháp cảm biến vị trí gián tiếp 24

2.1.2 Phương pháp dựa trên mô hình 26

2.1.2.1 Mô hình động của PMSM thường gặp 27

2.1.2.2 Tính toán vòng hở 29

2.1.2.3 Bộ quan sát vòng kín 32

2.2 Bộ điều khiển PI trong điều khiển số 36

2.2.1 Giới thiệu bộ điều khiển PI 36

2.2.1.1 Giới thiệu 36

2.2.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của bộ điều khiển PI 37

2.2.2 Biểu thức trong miền thời gian t 39

2.2.3 Biểu thức trong miền liên tục s 40

2.2.4 Biểu thức trong miền rời rạc z 40

2.2.4.1 Biểu thức U(s) trong miền rời rạc z theo Euler 41

2.2.4.2 Biểu thức U(s) trong miền rời rạc z theo Tustin 43

2.2.4.3 Khối hiệu chỉnh điện áp 46

2.3 Phương pháp điều khiển được đề xuất trong luận văn 47

2.3.1 Nguyên lý điều khiển vận tốc PMSM được thực nghiệm 48

2.3.2 Thiết kế bộ bộ quan sát chế độ trượt được thực nghiệm 49

2.3.3 Thiết kế bộ điều khiển PI số: 49

Chương 3: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN PMSM 51

3.1 Mô hình toán phương pháp điều khiển PMSM dựa trên hướng từ thông 51

3.1.1 Biến đổi Clark 52

3.1.2 Biến đổi Park 52

3.1.3 Điều khiển PI 53

3.1.4 Biến đổi Park ngược 53

3.1.5 Biến đổi Clark ngược 54

3.1.6 Điều chế vector không gian 55

3.2.1 Xây dụng mô hình hóa mô phỏng 56

3.2.2 Mô phỏng điều khiển không cảm biến PMSM 57

3.2.2.1 Chế độ chạy không tải 57

3.2.2.2 Chế độ chạy tải nhẹ 59

3.2.2.3 Điều khiển vận tốc PMSM trong điều kiện tải nặng 60

3.2.2.4 Điều khiển vận tốc PMSM trong điều kiện vận tốc thay đổi 62

3.3 Nhận xét 63

Chương 4: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN PMSM 64

4.1 Mô hình thực nghiệm điều khiển PMSM 64

4.1.1 Bộ kit thí nghiệm 64

4.1.2 Card điều khiển 68

4.1.3 Động cơ PMSM 70

4.2 Kết quả thực nghiệm 72

4.2.1 Động cơ PMSM chạy không tải 72

4.2.2 Động cơ PMSM chạy với tải nhẹ 74

4.2.3 Động cơ PMSM chạy với tải nặng 76

4.2.4 Động cơ PMSM thay đổi vận tốc trong vận hành không tải 78

4.2.5 Kết quả ước lượng các đại lượng dùng trong điều khiển vận tốc PMSM 80

4.3 Nhận xét 82

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 84

5.1 Kết luận 84

5.2 Hướng phát triển 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1 Minh họa các kiểu PMSM cơ bản: SPMSM và IPMSM 7

Hình 1 2 Sơ đồ nguyên lý của WECS biến đổi công suất toàn bộ dùng PMSM 9

Hình 1 3 Mô hình tương đương cơ khí và điện của PMSM 11

Hình 1 4 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển PMSM dùng nguyên lý điều khiển vector không gian có cảm biến vị trí 19

Hình 2 1 Mô tả ba phương pháp chính để tính toán thông tin vị trí rotor không dùng cảm biến vị trí 24

Hình 2 2 Mối liên hệ giữa tín hiệu điều khiển và EMF ngược trong [34] 25

Hình 2 3 Phân bố thực tế của thành phần cơ bản và hài bậc ba mật độ từ thông khe hở không khí trong máy điện cảm ứng hoạt động tại tốc độ định mức 25

Hình 2 4 Định nghĩa các hệ quy chiếu cho mô hình PMSM 28

Hình 2 5 Mô tả một bộ quan sát vòng kín cho ước lượng vị trí rotor 33

Hình 2 6 Mô tả bộ quan sát tuyến tính và bộ quan sát phi tuyến 34

Hình 2 7 Sơ đồ khối bộ điều khiển PI 37

Hình 2 8 Sai số xác lập của bộ điều khiển PI 37

Hình 2 9 Hiện tượng vọt lố và POT của bộ điều khiển 38

Hình 2 10 Hiện tượng vọt lố và POT của bộ điều khiển 38

Hình 2 11 Thời gian quá độ và thời gian lên của bộ điều khiển 38

Hình 2 12 khối hiệu chỉnh điện áp 46

Hình 2 13 Sơ đồ khối điều khiển không cảm biến PMSM 48

Hình 2 14 Nguyên lý bộ giám sát chế độ trượt được thực nghiệm 49

Hình 4 1 Hình ảnh thực tế TMDSHVMTRPFCKIT 65

Hình 4 2 Các động cơ có thể điều khiển trên TMDSHVMTRPFCKIT 66

Hình 4 4 Phân chia các khu vực chuyên trách trên Piccolo F2805x High Voltage

Motor Control Developer’s Kit 68

Hình 4 5 Hình ảnh card điều khiển TMS320F28035 69

Hình 4 6 Động cơ PMSM 71

Hình 4 7 Động cơ chạy không tải theo PI của Euler thuận 73

Hình 4 8 Động cơ chạy không tải theo PI của Euler nghịch 73

Hình 4 9 Động cơ chạy không tải theo PI của Tustin 74

Hình 4 10 Động cơ chạy tải nhẹ theo PI của Euler thuận 75

Hình 4 11 Động cơ chạy tải nhẹ theo PI của Euler nghịch 75

Hình 4 12 Động cơ chạy tải nhẹ theo PI của Tustin 76

Hình 4 13 Động cơ chạy tải nặng theo PI của Euler thuận 77

Hình 4 14 Động cơ chạy tải nặng theo PI của Euler nghịch 77

Hình 4 15 Động cơ chạy tải nặng theo PI của Tustin 78

Hình 4 16 Động cơ chạy tăng tốc, giảm tốc theo PI của Euler thuận 79

Hình 4 17 Động cơ chạy tải nặng theo PI của Euler nghịch 79

Hình 4 18 Động cơ chạy tăng tốc, giảm tốc theo PI của Tustin 80

Hình 4 19 Vị trí rotor ước lượng được 81

Hình 4 20 Vận tốc rotor ước lượng 81

Hình 4 21 Mô men động cơ 81

Hình 4 22 Dòng điện trên ba pha của động cơ 81

Hình 4 23 Dòng điện stator trong tọa độ dq 82

Chương 0: GIỚI THIỆU

I Đặt vấn đề

Do có nhiều thuận lợi trong điều khiển vận tốc và mô men, hệ thống truyền động máy điện DC đã được ưu tiên ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau trong hơn 100 năm qua Trong 30 năm trở lại đây, với sự phát triển của điện tử công suất, bộ điều khiển số (digital signal processor-DSP) và công nghệ thiết kế có sự hỗ trợ

từ máy tính, các bộ điều khiển động cơ AC [1-3] đã dần thay thế các bộ điều khiển động cơ DC và có vai trò ngày càng quan trọng trong các ứng dụng điều khiển tần số thay đổi Hiện tại, các kiểu khác nhau của điều khiển AC dùng trong máy điện cảm ứng (induction machines-IM), động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (permanent magnet synchronous machines-PMSM), động cơ từ trở chuyển mạch (switched reluctance machines-SRM) được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp

Trong số các bộ truyền động động cơ AC, hệ thống điều khiển PMSM được dùng nhiều nhất, chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như là thiết bị trong nhà [4], hệ thống xe điện [5], và hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (wind energy conversion systems-WECS) [6], bởi các ưu điểm vượt trội là hiệu suất cao, mật độ công suất lớn và vùng hằng số công suất rộng Với việc giảm giá liên tục của các vật liệu nam châm vĩnh cửu và sự phát triển của công nghệ điều khiển, truyền động PMSM càng trở nên hấp dẫn và cạnh tranh so với các động cơ khác [7] Ngoài ra, do các vấn

đề toàn cầu về ô nhiễm môi trường và an ninh năng lượng ngày càng được qua tâm chú

ý, các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió và các xe chạy điện nhận được nhiều sự quan tâm cả trong học thuật và trong ứng dụng tại các công ty sản xuất Đây là một thị trường rộng lớn cho công nghệ điều khiển PMSM

Ngoài ra, việc điều khiển các động cơ PMSM trong công nghiệp ngày càng được

tự động hóa cao với sự tham gia điều khiển của các bộ điều khiển số Có nhiều phương pháp số hóa bộ điều khiển được thực hiện và mỗi giải thuật sẽ tác động khác nhau đến

động cơ PMSM không cảm biến, luận văn đề xuất áp dụng ba giải thuật số hóa khác nhau nhằm có sự đánh giá về khả năng và so sánh ưu nhược điểm của từng giải thuật Điều này sẽ góp phần quan trong việc đưa ứng dụng điều khiển PMSM từ thực nghiệm vào quá trình sản xuất hàng loạt trong tương lai không xa tại thị trường Việt Nam nói riêng và quốc tế nói chung

Trong vấn đề nghiên cứu điều khiển động cơ PMSM trong tình hình nước ta hiện nay còn rất khiêm tốn Một số nghiên cứu được thực hiện trong nước đều hướng đến điều khiển có cảm biến PMSM được thể hiện trong [1-2] Vấn đề nghiên cứu điều khiển động cơ PMSM không cảm biến còn đang bỏ ngõ và chưa có công bố nào trong nước

Luận văn hướng đề tài vào việc điều khiển không cảm biến các PMSM với mục tiêu bỗ trợ và nâng cao hiệu quả hoạt động của các PMSM trong cac hệ thống truyền động hiệu suất cao phục vụ nhu cầu công nghiệp hóa-hiện đại hóa đất nước hiện nay

II Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu nghiên cứu trong luận văn là phát triển hệ thống điều khiển không cảm biến vị trí/vận tốc rotor có thể thay thế cho các hệ thống điều khiển có cảm biến cho các động cơ PMSM trong toàn bộ dãy hoạt động Điều khiển không cảm biến cung cấp một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề phát sinh trong việc dùng các cảm biến vị trí cơ cấu cơ điện tử trong hệ thống điều khiển PMSM Đầu tiên, nó cung cấp giải pháp thay thế cho điều khiển có cảm biến hiện tại cho PMSM với việc giảm chi phí, kích thước, khối lượng và sự phức tạp phần cứng Thứ hai, nó có thể được sử dụng như là một bổ sung (sao lưu) trong các hệ thống điều khiển dựa trên cảm biến Khi các cảm biến gặp sự cố, điều khiển không cảm biến đảm bảo rằng hệ thống điều khiển PMSM

có thể tiếp tục hoạt động một cách chính xác Điều này giúp tránh cho việc hỏng hóc các thiết bị khác bởi sự hư hỏng cảm biến và hệ thống điều khiển Cuối cùng, vị trí và vận tốc rotor được tính toán và các biến trạng thái khác của PMSM có thể được dùng

để giám sát các điều kiện các cảm biến cơ điện và các thành phần khác của PMSM

Giúp giảm tỉ lệ và mức độ hư hỏng, tiết kiệm chi phí bảo trì và cải thiện độ tin cậy của

- Sử dụng các phương pháp số hóa khác nhau để thực nghiệm điều khiển động

cơ PMSM trong các bộ điều khiển số

- Thực nghiệm điều khiển động cơ PMSM để đánh giá hiệu quả hoạt động của phương pháp điều khiển động cơ PMSM được đề xuất

- Thực nghiệm điều khiển động cơ PMSM để đánh giá tác động của các phương pháp số hóa tín hiệu khác nhau trong các bộ điều khiển số trong việc điều khiển vận tốc động cơ PMSM

III Nhiệm vụ của luận văn

Luận văn “Điều khiển tốc độ không dùng cảm biến trong động cơ PMSM” có những nội dung chính như sau:

- Tìm hiểu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu qua ứng dụng cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phương trình toán học tương đương của PMSM

- Tìm hiểu tổng quan về các phương pháp điều khiển vận tốc PMSM hiện nay

- Nghiên cứu về phương pháp điều khiển trượt và áp dụng phương pháp điều khiển trượt trong điều khiển vận tốc PMSM

- Nghiên cứu về Board điều khiển Piccolo F2805x High Voltage Motor Control Developer's Kit và Card điều khiển Piccolo TMX320F28055 trong điều khiển PMSM

- Nghiên cứu các phương pháp số hóa bộ điều khiển PI bằng phương pháp Euler

- Thực nghiệm điều khiển động PMSM bằng phương pháp điều khiển FOC với

bộ quan sát theo chế độ trượt bằng nhiều phương pháp điều khiển số khác nhau

- Đánh giá kết quả đạt được qua các phương pháp điều khiển số khác nhau đã thực nghiệm

IV Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu điều khiển động cơ PMSM

- Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển PMSM

- Sử dụng bộ kit chuyên dụng của TI để điều khiển PMSM theo phương pháp điều khiển FOC với bộ quan sát theo chế độ trượt

- Mô phỏng điều khiển PMSM theo các phương pháp điều khiển số khác nhau là Euler thuận, Euler nghịch, Tustin

V Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và mô hình toán PMSM

- Nghiên cứu các giải thuật điều khiển PMSM

- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển số Euler thuận, Euler nghịch, Tustin trong điều khiển động cơ PMSM bằng bộ điều khiển số

- Nghiên cứu lập trình C cho card điều khiển DSP trong điều khiển động cơ PMSM

- Ghi nhận kết quả sau mô phỏng và đánh giá kết quả

VI Điểm mới của luận văn

Luận văn đã thực nghiệm thành công việc điều khiển vận tốc động cơ PMSM theo phương pháp trượt Đây là tiền đề quan trọng để ứng dụng mô hình điều khiển vào thực tiễn sản xuất

Với việc áp dụng phương pháp điều khiển trượt vào điều khiển vận tốc động cơ, nhược điểm giảm hiệu quả điều khiển khi có sự thay đổi vận tốc động cơ

Luận văn đã đề xuất áp dụng các phương pháp số hóa tín hiệu trong điều khiển

số Đây là tiền đề quan trọng trong thực nghiệm điều khiển động cơ vì hiện nay số hóa điều khiển là một xu hướng tất yếu do các ưu điểm mà nó mang lại so với các bộ điều khiển tương tự Trong luận văn, các giải thuật số hóa bộ điều khiển là Euler thuận, Euler nghịch, Tustin được áp dụng để từ đó rút ra được các các kết quả quan trọng về lựa chọn, phối hợp và áp dụng các giải thuật số hóa trong các trường hợp điều khiển động cơ cụ thể

Trong quá trình thực nghiệm, kết quả thu được trong luận văn có thể áp dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển hoàn thiện đưa vào vận hành trong thực tế Đây là điểm quan trọng mà các mô hình mô phỏng không thể làm được ngay

VII Giá trị thực tiễn của đề tài

Luận văn đã mô phỏng trên mô hình vật lý về điều khiển PMSM, đây là kết quả quan trọng vì qua mô phỏng với một PMSM thực tế sẽ có thể thu được rất nhiều kết quả về sự ảnh hưởng của các yếu tố thực tế không được mô hình hóa hay bị bỏ qua trong việc xây dựng mô hình toán của PMSM trong mô phỏng

Qua luận văn, các phương pháp số hóa tín hiệu điều khiển được áp dụng nhằm so sánh và đưa ra khuyến nghị trong việc lựa chọn, phối hợp và áp dụng phương pháp số hóa hợp lý trong điều kiện thực tế cụ thể

Với việc sử dụng nhiều phương pháp số hóa tín hiệu điều khiển, các kết quả được

sử dụng để so sánh và đưa ra nhận xét cũng như kết luận về hiệu quả của từng phương pháp

Với kết quả thu được trong điều khiển PMSM bằng mô hình vật lý, kết quả thu được trong luận văn hoàn toàn có thể được ứng dụng vào thực tiễn và bán ra thị trường Đây là đóng góp lớn với xã hội nói chung khi đưa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu PMSM

Nhìn chung, phần lớn các động cơ PMSM hiện nay [8] gồm stator ở phía ngoài với các dây dẫn và một rotor có nam châm vĩnh cửu Theo cấu tạo rotor, các động cơ PMSM với một sức điện động ngược hình sine có thể được phân loại thành hai nhóm chính: PMSM cực ẩn, ví dụ PMSM có nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt rotor (SPMSM), và PMSM cực lồi, ví dụ động cơ PMSM cực chìm (IPMSM) Sự so sánh giữa hai loại động cơ PMSM này được đưa ra chi tiết trong [9, 10]

Mặt cắt ngang của SPMSM điển hình được đưa ra như trong hình 1.1a Nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của trục rotor, SPMSM có khe hở không khí phân

bố đều Thuộc tính này làm cho điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục là bằng nhau Kết quả là SPMSM chỉ tạo ra một mô men từ So với IPMSM, SPMSM gần như

bị giới hạn khả năng tạo từ thông Cấu hình rotor được gắn nam châm trên bề mặt sẽ đơn giản trong sản xuất và lắp đặt Tuy nhiên, các nam châm vĩnh cửu xuất hiện trực tiếp tại vùng phản kháng của phần ứng sẽ có nguy cơ bị từ khử Do cấu trúc rotor gắn

bề mặt, tốc độ quay của trục sẽ bị giới hạn để các nam châm vĩnh cửu tại bề mặt rotor chống lại ảnh hưởng của lực ly tâm Do đó, SPMSM thường được dùng trong các ứng dụng tốc độ thấp ví dụ như hệ thống chuyển đổi năng lượng gió và các thiết bị trong nhà

Hình 1 1 Minh họa các kiểu PMSM cơ bản: SPMSM và IPMSM

Mặt cắt ngang điển hình của một IPMSM được đưa ra như trong hình 1.1b, các nam châm được đặt phía trong lõi sắt rotor, điều này giảm thiểu đáng kể nguy cơ từ hóa của các nam châm vĩnh cửu trong quá trình hoạt động Do là rotor cực lồi, điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục là khác nhau Điều này làm xuất hiện đồng thời

mô men của nam châm và mô men từ trở đều tham gia vào mô men tổng sinh ra trong động cơ IPMSM Do đó, IPMSM được dùng nhiều trong trong các hệ thống xe điện do đặc điểm giảm từ thông lớn và có khả năng sinh mô men cao

1.2 Ứng dụng truyền động của PMSM

PMSM rất được quan tâm áp dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ như hệ thống điều khiển sức kéo bằng điện (electric traction drive systems-ETDS), trong các phương tiện chạy điện và trong các máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi (WECSs), trong các ứng dụng yêu cầu mật độ công suất và năng lượng cao trong cùng điều kiện khối lượng và kích thước

Mỹ là quốc gia dẫn đầu về thị trường cho các phương tiện chạy điện tiên tiến [11]

ví dụ như các phương tiện chạy điện và phối hợp điện-xăng (electric and hybrid electric vehicles-EVs and HEVs), các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc giảm kích thước của các động cơ chạy xăng, Mỹ là nước phụ thuộc vào xăng dầu bên

thống truyền động sử dụng động cơ đốt trong thông thường, các hệ thống truyền động

sử dụng điện [12-17] có công suất đỉnh cao hơn, cải thiện hiệu suất động, có đặc tính

mô men- tốc độ gần như lý tưởng, hiệu suất sử dụng năng lượng tốt hơn và giảm thiểu phát thải CO2 Tổng quát, motor động lực trong hệ thống truyền động điện được yêu cầu cung cấp một mô men xoắn lớn trong vùng tốc độ thấp (trong điều kiện khởi động)

và dãy rộng có tốc độ cao và công suất không đổi So sánh với các loại máy điện AC khác, PMSM có thể là thiết kế tốt để có một vùng vận tốc rộng hơn có công suất không đổi và hoạt động trong cả chế độ có mô men xoắn không đổi khi hoạt động dưới vận tốc cơ bản và chế độ công suất không đổi tại vận tốc trên định mức [18, 19] Hơn nữa, PMSM có mật độ công suất cao, mật độ mô men cao, hiệu suất cao, kích thước nên kích thước tổng cộng của hệ thống truyền động được giảm thiểu rất nhiều, đây là đặc điểm hấp dẫn trong ứng dụng phương tiện di chuyển Hiện nay, phương tiện chạy điện trang bị PMSM đã được sản xuất hàng loạt, ví dụ như Toyota’s Prius [20]

Tổng công suất lắp đặt điện gió đang phát triển bùng nổ trong thị trường toàn cầu Theo một báo cáo của Hiệp hội Năng lượng gió thế giới [21], lắp đặt điện gió trên toàn thế giới đã đạt 296 GW vào năm 2013 Trong số các cấu hình khác nhau của WECSs,

hệ thống WECS có tốc độ thay đổi dựa trên máy phát điện cảm ứng nguồn kép (doubly-fed induction generator-DFIG) là công nghệ chiếm ưu thế trên thị trường từ cuối những năm 1990 [22] Tuy nhiên, tình trạng này đã thay đổi trong những năm gần đây với xu hướng phát triển của WECSs với công suất lớn, chi phí thấp hơn cho mỗi

kW, tăng mật độ năng lượng, và sự cần thiết cho độ tin cậy cao hơn Ngày càng có nhiều chú ý đến hệ thống chuyển đổi trực tiếp, các khái niệm WECS không hộp số

Hình 1 2 Sơ đồ nguyên lý của WECS biến đổi công suất toàn bộ dùng PMSM Trong các loại máy phát điện khác nhau, PMSG đã được nhìn nhận là tốt hơn trong các ứng dụng WECS biến đổi công suất toàn bộ do ưu thế về hiệu quả sử dụng cao hơn, mật độ năng lượng cao hơn, chi phí bảo dưỡng thấp hơn, và tương thích lưới điện tốt hơn [23] Tăng độ tin cậy cũng như hiệu suất cao hơn như trong mô tả trong hình 1.2 làm cho PMSG thêm hấp dẫn với các thiết kế công suất hàng MW ngoài khơi, nơi mà các WECS được lắp đặt trong điều kiện khắc nghiệt và ít tiếp xúc với môi trường

Tăng độ tin cậy cũng như hiệu suất cao hơn làm cho PMSG dựa trên trực tiếp ổ WECSs, như thể hiện trong hình 1.2, hấp dẫn hơn trong MW đa ứng dụng ngoài khơi, nơi WECSs được cài đặt trong khắc nghiệt và ít tiếp cận môi trường bên ngoài [23] Hiện tại, nhiều hệ thống chuyển đổi năng lượng gió thương mại sử dụng PMSM đã có mặt trên thị trường, với dãy công suất từ vài trăm watt đến 6 MW [24-25] Có nhiều nhà sản xuất tham gia vào thị trường điện gió dùng PMSM như là Siemens Wind Power, General Electric Energy, Goldwind

1.3 Vật liệu làm nam châm vĩnh cửu

Nam châm vĩnh cửu là loại nam châm được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng có khả năng giữ từ tính không bị mất đi trong từ trường Đây là loại nam châm được sử dụng như những nguồn tạo từ trường Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ vật liệu, có nhiều phương pháp và chất liệu khác nhau được sử dụng để tạo nên nam châm

Ôxitsắt: đây là loại nam châm vĩnh cửu đầu tiên của con người được sử dụng từ

thời cổ đại xa xưa Chúng được sử dụng dưới dạng các “đá nam châm” Tuy nhiên ngày nay thì loại nam châm này không còn được sử dụng nữa do tính của nó rất kém

Thépcácbon: đây là loại nam châm vĩnh cửu được ra đời sau oxit sắt, được sử

dụng từ thế kỷ 18 đến giữa thế kỷ 20 Chúng có khả năng cho từ dư đến hơn 1 T, tuy nhiên loại này cũng có lực kháng từ rất thấp vì vậy rất dễ bị mất tính từ và chúng không còn được sử dụng hiện nay nữa

Nam châm AlNiCo: là loại nam châm được chế tạo từ vật liệu từ cứng là hợp

kim của các chất như nhôm, niken, cô ban và một số phụ gia khác như đồng, titan… Đây là loại nam châm cho từ dư cao khoảng từ 1,2 đến 1,5 T tuy nhiên có lực kháng từ chỉ xung quanh 1 kOe và giá so với thị trường cũng khá cao vì thế mà hiện nay tỉ lệ người sử dụng ngày càng có xu hương giảm dần ước tính chỉ còn không đến khoảng 10% thị phần sử dụng nó

Nam châm Ferrite từ cứng: Là loại nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các

ferittừ cứng như chất ferit Ba, Sr… Nam châm này với ưu điểm là rất dễ dàng chế tạo

và gia công, mà giá thành lại rẻ nhưng độ bền cao Tuy nhiên, khó khăn ở đây là do nhóm các vật liệu ferit từ có hàm lượng ôxy cao vì thế nên có từ độ khá thấp và có lực kháng từ khoảng 3 đến 6 kOe nên nó có khả năng cho tích năng lượng từ cực đại lớn nhất là 6 MGOe Hiện nay loại nam châm này cũng được sử dụng khá nhiều do những

ưu điểm kể trên của nó

Nam châm đất hiếm: Là loại nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các vật liệu từ

cứng Đó là các hợp kim hoặc hợp chất của các kim loại đất hiếm và kim loại chuyển tiếp Loại nam châm này có 2 dang đó là nam châm nhiệt độ cao SmCo và Nam châm NdFeB (neodymium) Tuy nhiên giá cả của nó lại khá cao và độ bền kém nên nam châm này vẫn không phải là loại nam châm được sử dụng nhiều nhất hiện nay

Nam châm tổ hợp nano: Được ra đời từ đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, đây là

loại nam châm có cấu trúc khá đặc biệt gồm tổ hợp của 2 pha từ cứng và từ mềm ở

kích thước nanomet Với khả năng tích năng lượng từ khổng lồ gấp hơn 3 lần so với các nam châm mạnh nhất hiện nay nhưu nam châm NdFeB nhưng loại nam châm này còn đang trong gia đoạn thử nghiệm

1.4 Phương trình toán của PMSM

1.4.1 Phương trình toán trong miền pha abc

Để có được các mô hình toán học của PMSM chúng ta cần phải áp dụng, tương ứng, định luật thứ hai Kirchhoff và định luật thứ hai của Newton về các bộ phận điện

và cơ khí của động cơ

Hình 1 3 Mô hình tương đương cơ khí và điện của PMSM Phần điện: Từ hình 1.3, định luật 2 Kirchhoff có thể được áp dụng vào phần điện của động cơ ta thu được

u t r i t

dt d

Với r là thành phần điện trở của mỗi pha, s u a     t ,u b t ,u c t và i i ia, ,b clần lượt

là điện áp pha và dòng điện   a, b, c là các liên kết từ thông và bao gồm hai phần,

 

 

, ,

Giả sử rằng các cuộn dây stator được phân bố hình sin, sau đó chúng ta có thể thể hiện những mối liên hệ từ thông nam châm vĩnh cửu như sau

 

sin 2 sin

3 2

Thay (1.3) và (1.4) vào phương trình (1.2), có thể viết lại phương trình (1.2) dưới dạng ma trận Tổng thông lượng từ hóa, được tạo ra bởi cả hai loại điện cảm và nam châm vĩnh cửu, được thể hiện như

Với abc, iabc, abclà các vector 3x1, và Lslà ma trận 3x3

Do đó, chúng ta có thể viết mô hình phần điện, mô tả trong phương trình (1.1), trong một dạng ma trận như

  1.7

abc abc s abc

Phần cơ: mô hình cơ của máy điện và phụ tải được biễu diễn đơn giản bằng cách

dùng định luật hai Newton từ hình 1.3 ta có

trong đó mlà độ dịch chuyển góc cơ học của rotor; mlà vận tốc góc của rotor;

J là moment quán tính; B là hệ số ma sát; và TL là mômen tải Te đại diện cho mômen điện từ được tạo ra và có thể được tính toán từ các đồng năng lượng Wc, được đưa ra bởi

sin

2 sin

e m m

T  P i

Từ phương trình (1.11) đã được viết về vị trí góc cơ và tốc độ, nó cần phải được thể hiện bằng vận tốc góc điện Các mối quan hệ giữa các vị trí góc cơ học và vị trí góc điện là e

từ thông rotor được tạo ra

1.4.2 Phương trình trong hệ tọa độ trực giao dq0

Để giảm thiểu sự phức tạp của phương trình vi phân thu được trong (1.10), được

mô tả như trạng thái động của động cơ điện, mô hình được chuyển đổi sang hệ tọa độ trực giao dq0 Thông thường, để điều khiển máy điện ba pha, phương pháp điều khiển hướng từ thông (Field Oriented Control-FOC) được sử dụng để giảm thiểu cấu trúc

điều khiển Vector dòng stator, đó là tổng dòng điện ba pha, được chuyển đổi đến hệ tọa tương đương, hệ tọa độ hai pha trên một trục cố định (abc) bằng biến đổi Clark [27] Để loại bỏ điện cảm biến thiên trong phương trình điện áp có thể áp dụng chuyển đổi Park (dq) để đổi biến của stator sang hệ tham chiếu rotor [28] Quá trình này được thực hiện như sau

1 1 1

, , ,

dq s dq s dq

d dK

với d L I se dm là lực từ thông trong trục d; T elà mô men điện từ; T là mô men L

phụ tải; các biến hệ thống U U d, qvà I I d, qlần lượt là điện áp và dòng điện tương đương của cuộn dây stator trên trục dq; và elà vận tốc góc điện của rotor Thông số động cơ được đưa ra bởi r s, điện trở stator; L se, điện cảm stator tương đương; P, số cặp cực; B,

hệ số ma sát tĩnh; và J, mô men quán tính m là biên độ của liên kết từ thông được cung cấp bởi nam châm vĩnh cửu trên rotor, điều được xác định bằng thực nghiệm trong [26] cuối cùng, dbiểu diễn tổng liên kết từ thông

1.5 Bộ điều khiển vector không gian

Điều khiển chuyển động hiệu quả cao của một PMSM được đặc trưng bởi điều khiển quay mượt và điều khiển mô men chính xác trên toàn bộ dãy dãy vận tốc (bao gồm cả việc dừng động cơ) và sự tăng và giảm vận tốc nhanh Kỹ thuật điều khiển vector [2,26], tiếp tục sử dụng phương pháp điều khiển dựa vào từ thông (FOC), được

sử dụng rộng rãi để có được điều khiển hiệu suất cao cho các bộ điều khiển PMSM Để

sử dụng phương pháp điều khiển vector, dòng điện stator của PMSM được phân tích thành thành phần tạo từ thông và thành phần tạo mô men, cả hai thành phần này có thể điều khiển đọc lập với nhau Trong phương pháp này, thông lượng và mô men có thể được điều khiển tách rời nhau bằng cách dùng các thành phần dòng điện được phân tách Cấu trúc của nguyên lý điều khiển vector PMSM thì đơn giản như là máy DC kích từ độc lập

Hình 1 4 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển PMSM dùng nguyên lý điều

khiển vector không gian có cảm biến vị trí

Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển PMSM dùng nguyên lý điều khiển vector không gian có cảm biến vị trí được đưa ra như trong hình 1.4 bao gồm nguyên

lý điều khiển, PMSM, bộ nghịch lưu nguồn áp (voltage source inverter-VSI), nguồn

DC, cảm biến dòng điện và cảm biến vị trí Điều khiển vector được thực thi thông qua các bước sau:

Bước 1: ghi nhận và xử lý tín hiệu dòng điện và vị trí rotor

- Đo các dòng điện pha của stator trên PMSM bằng các bộ biến dòng (current transducers-CT) Do các cuộn dây của PMSM được đấu theo hình sao nên chỉ cần đo dòng điện trên 2 pha là đủ, dòng điện còn lại được suy ra từ hai dòng điện trên Ví dụ ta chỉ cần đo ,i i a b

- Đo thông tin vị trí rotor rebằng cách dùng một cảm biến vị trí rotor, ví dụ như

một bộ giải mã hay một bộ phân tích

- Chuyển đổi hệ trục tọa độ: chuyển các dòng điện pha ,i i thành các dòng điện a b

,

d q

i i trong hệ tham chiếu quay đồng bộ dùng thông tin vị trí rotor đo được

Bước 2: tạo nhu cầu dòng điện và nhu cầu mô men

- Tạo nhu cầu mô men *

T dựa trên theo dõi sai số giữa vận tốc rotor mong muốn

*

re

 và vận tốc rotor đo được re bằng bộ điều chỉnh vận tốc

- Tạo nhu cầu dòng điện, *

dc re

V  ( tỷ số giữa nguồn áp DC và vận tốc rotor) Mối tương quan này thường

được thực hiện bằng bảng tra trong các ứng dụng thực tế [27]

Bước 3: điều chỉnh dòng điện và tạo tín hiệu cổng

- Thực hiện điều khiển cặp dòng điện bằng cách sử dụng hai bộ điều chỉnh, trong đó thành phần tạo từ thông và thành phần tạo mô men của dòng điện stator, i qvài d, là điều khiển độc lập Bước này sẽ tạo nên điện áp tham chiếu,

*

d

v và *

q

v trong hệ tham chiếu quay đồng bộ

- Thực hiện điều chế độ rộng xung không gian vector dựa trên *

d

v và *

q

v , và tạo tín hiệu cổng cho VSI Trong bước này, thông tin vị trí rotor bắt buộc phải chuyển

sẽ không chỉ giảm hiệu quả điều khiển mà còn là nguyên nhân gây mất ổn định trong

hệ thống điều khiển

Cảm biến vị trí cơ điện, ví dụ các bộ phân tích, bộ mã hóa quang, và cảm biến Hall thường được dùng để ghi nhận vị trí/vận tốc trong các bộ điều khiển PMSM Việc dùng cảm biến sẽ làm tăng thêm chi phí, kích thước, khối lượng và độ phức tạp trong

đi dây của hệ thống điều khiển Nhìn từ góc độ độ tin cậy của hệ thống, việc gắn cảm biến cơ điện trên trục rotor sẽ làm giảm sức mạnh cơ học của máy điện Nhiễu can thiệp điện từ trong các khung dây, do các hoạt động chuyển mạch và các dây đứt, có thể gây hại đến hoạt động của bộ điều khiển Ngoài ra, các cảm biến thường có tỉ lệ bị lỗi cao khi phải hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt, như là hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao, tốc độ vòng quay quá nhanh và trong các điều kiện tải nặng hoặc ngược hướng khác Nhằm khắc phục các nhược điểm trong việc dùng cảm biến, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm phát triển các bộ điều khiển không cảm biến

có thể thay thế cho các bộ điều khiển có cảm biến trong khoảng mười năm trở lại đây [28]

1.7 Hướng nghiên cứu của luận văn

Qua tổng quan về động cơ PMSM và vấn đề điều khiển động cơ PMSM, luận văn

đề xuất hương nghiên cứu như sau:

Nghiên cứu áp dụng điều khiển PMSM dựa trên hướng từ thông không dùng cảm biến Đây là phương pháp điều khiển có dãy vận tốc hoạt động của động cơ rộng, hiệu quả điều khiển cao

Nghiên cứu áp dụng điều khiển nguyên lý trượt để dự đoán vận tốc và vị trí rotor chính xác hơn nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển

Nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển PI số (rời rạc) theo các giải thuật số hóa của Euler và Tustin trong vấn đề điều khiển PMSM bằng các bộ điều khiển số DSP Nghiên cứu tiến hành thực nghiệm và ghi nhận kết quả trên bộ điều khiển PMSM nhằm đánh giá hiệu quả thu được trong luận văn Ngoài ra, kết quả thu được trong thực nghiệm sẽ được dùng để đánh giá các phương pháp số hóa bộ điều khiển theo các

phương pháp khác nhau Đây là cơ sở quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp số hóa thích hợp trong các sản phẩm điều khiển PMSM sau này trong thực tiễn

Chương 2: ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC PMSM KHÔNG CẢM BIẾN

2.1 Kỹ thuật ước lượng vị trí/vận tốc rotor cho PMSM

Để có được bộ điều khiển vector hiệu quả cao cho PMSM, đo lường chính xác vị trí và vận tốc rotor là không thể thiếu trong các hệ thống điều khiển PMSM truyền thống, kết quả đo lường thường được ghi nhận thông qua các bộ mã hóa hoặc bộ phân tích chuyển động quay Việc dùng các cảm biến này sẽ làm tăng chi phí, tăng kích thước, làm phức tạp hệ thống dây điện và giảm sức mạnh cơ năng của máy cũng như

độ tin cậy của toàn bộ hệ thống truyền động PMSM Để giải quyết vấn đề này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm phát triển bộ điều khiển không cảm biến vận tốc/vị trí rotor cái có thể thay thế các hệ thống điều khiển dựa trên cảm biến vận tốc/vị trí rotor hiện nay trong vài thập kỷ gần đây [28-32] Phần này cung cấp một cách tổng quan các phương pháp tính toán thông tin vị trí rotor không cần cảm biến vị trí Đây là yếu tố quan trọng để thực hiện điều khiển vector không cảm biến vị trí/vận tốc rotor cho PMSM

Phương pháp tính toán vị trí/vận tốc rotor có thể được phân thành 3 nhóm chính:

- Phương pháp cảm biến vị trí gián tiếp trong đó thông tin vị trí rotor là thu gián tiếp từ số lượng các mối quan hệ với vị trí được ghi nhận, ví dụ, thành phần sức điện động ngược (back EMF) hoặc thành phần hài bậc ba của sức điện động ngược

- Phương pháp dựa trên mô hình trong đó các mô hình cơ bản-tần số của PMSM, dòng điện stator đo được, điện áp stator đo được được sử dụng để ước tính các thông tin vị trí rotor

- Phương pháp dựa trên cực ẩn trong đó thông tin vị trí rotor được trích xuất từ việc độc lập vị trí máy cực lồi và kích từ tần số cao được yêu cầu

Mối liên hệ giữa ba phương pháp được mô tả trong hình 2.1 bên dưới Mỗi loại

dàng Tuy nhiên, để cải thiện độ chính xác của ước lượng vị trí rotor, xu hướng trong các nghiên cứu gần đây đều hướng đến việc thiết kế phương pháp ước lượng vị trí vòng kín Chính vì vậy, thiết kế bộ quan sát trở thành vấn đề cốt lõi trong ước lượng vị trí

Hình 2 1 Mô tả ba phương pháp chính để tính toán thông tin vị trí rotor không dùng

cảm biến vị trí

2.1.1 Phương pháp cảm biến vị trí gián tiếp

Ý tưởng cơ bản của kiểu phương pháp này là ghi nhận thông tin vị trí rotor gián tiếp từ tín hiệu liên quan vị trí thu nhân được, ví dụ giá trị tức thời của EMF ngược, đây là một hàm phụ thuộc vị trí rotor Các phương pháp này được áp dụng lần đầu cho động cơ BLDC, là loại có dạng sóng EMF ngược hình thang, nơi mà vị trí rotor thu được từ việc xác định điểm không trên dạng sóng EMF ngược [33-34] Tuy nhiên, cảm biến EMF không hoạt động tại vùng vận tốc thấp Để giải quyết vấn đề này, quy trình khởi động vòng hở được sử dụng

Hơn nữa, tốc độ cơ bản là tốc độ tối đa đạt được bằng cách sử dụng phương pháp này Ngoài ra, các phương pháp được trình bày trong [33] và [34] không thể được áp dụng cho máy AC nam châm vĩnh cửu, đặc biệt là các IPMSMs, do sự phân phối từ thông khe hở bị méo dạng do phản ứng phần ứng

Hình 2 2 Mối liên hệ giữa tín hiệu điều khiển và EMF ngược trong [34]

Hình 2 3 Phân bố thực tế của thành phần cơ bản và hài bậc ba mật độ từ thông khe hở

không khí trong máy điện cảm ứng hoạt động tại tốc độ định mức

Nghiên cứu [35] đề xuất phương pháp cảm biến vị trí gián tiếp khác dựa trên thành phần hài bậc ba của EMF ngược, cái mà có mối quan hệ pha không đổi với thông lượng rotor không phụ thuộc vào chế độ vận hành của động cơ Thành phần hài bậc ba được trích xuất từ điện áp pha stator và các thành phần hài bậc cao hơn được loại bỏ