Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPM) không dùng cảm biến tốc độvị trí

DANH M C CÁC TỪ VIẾT TẮT Back-emf Back electromotive force Sức phản điện động BLDC Brushless direct current Điện một chiều không chổi than Eemf Extended electromotive force Sức điện động

Tôi xin cam đoan đề t i

do tôi t nghi n cứu d i s h ng

d n của PGS.TS Tạ Cao Minh Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này

là trung th c v ch a công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu n o tr c đây Những công thức h nh ảnh v số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, tính toán đ ợc chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong phần tài liệu tham khảo

Nếu phát hiện có bất kỳ s gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

tr c hội đồng cũng nh kết quả luận văn của mình

Hà N i, ày 25 t á 03 ă 2015

Tác giả

ng H ng Triết

M C C 2

DANH M C HÌNH VẼ 4

DANH M C CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH M C C C HI U 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM CHÌM & CÁC ỨNG D NG 9

1.1 Cấu tạo 11

1.2 Vật liệu chế tạo nam châm vĩnh vửu 13

1.3 Đặc điểm của động c đồng bộ nam châm chìm 16

1.3.1 Ưu điểm của động c IPM 16

1.3.2 Đặc tính c của động c IPM 18

1.4 Xây d ng hệ tọa độ véc t không gian cho động c IPM 20

1.4.1 Xây d ng hệ tọa độ cố định αβ 22

1.4.2 Xây d ng hệ tọa độ dq 23

1.5 Mô hình toán học cho động c IPM 24

1.6 Cấu h nh điều khiển chung 29

1.7 Ứng dụng của động c đồng bộ nam châm chìm 29

CHƯƠNG II TỔNG QUAN C C PHƯƠNG PH P HÔNG DÙNG CẢM BIẾN 31

2.1 Ph ng pháp c l ợng tr c tiếp (mạch hở) 32

2.1.1 Ph ng pháp d a trên Back-emf 32

2.1.2 Ph ng pháp biến đổi đại số 34

2.2 Ph ng pháp mạch kín (có phản hồi) MRAS 35

2.3 Ph ng pháp sử dụng bộ quan sát trạng thái 40

2.3.1 Bộ quan sát trạng thái tuyến tính 40

2.3.2 Bộ quan sát trạng thái phi tuyến 41

2.3.3 Bộ quan sát Luenberger 43

2.4.2 Mô hình kích từ tần số cao 47

2.4.2.1 B m tín hiệu vào hệ tọa độ rotor c l ợng 48

2.4.2.2 B m tín hiệu vào hệ tọa độ cố định 50

2.4.3 Ph ng pháp xử lý tín hiệu 50

CHƯƠNG III TÍNH TO N C C THAM SỐ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN 53

3.1 Cấu hình hệ điều khiển v i 2 mạch vòng (dòng điện và tốc độ) 53

3.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện i sd (bộ điều ch nhR i sd ): 53

3.3 Mạch vòng điều khiển dòng điện i sq (bộ điều ch nh Risq) 55

3.4 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ 57

CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA H THỐNG KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TRONG SIMULINK 59

4.1 Thông số động c IPM d ng trong mô phỏng 59

4.2 Điều kiện mô phỏng 59

4.3 Mô hình mô phỏng 60

4.3.1 Bộ điều khiển tốc độ 60

4.3.2 Bộ điều khiển dòng điện có bù chéo 61

4.3.3 Bộ nghịch l u 62

4.3.4 Bộ c l ợng tốc độ MRAS 63

4.4 Kết quả mô phỏng 64

KẾT LUẬN 66

T I I U THAM HẢO 67

PH L C 70

DANH M C HÌNH VẼ

Hình 1.1 - Mặt cắt động c đồng bộ 11

Hình 1.2 - Động c đồng bộ nam châm chìm 12

Hình 1.3 - Giản đồ B-H của vật liệu chế tạo nam châm [4] 14

Hình 1.4 - Lịch sử phát triển của vật liệu nam châm vĩnh cửu 16

Hình 1.5 - Biễu diễn điện cảm dọc trục và ngang trục của động c SPM v IPM 18

Hình 1.6 - Mô men động c đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm đ ợc gắn chìm bên trong rotor 18

Hình 1.7 - Đặc tính c động c IPM 18

Hình 1.8 - Đồ thị véc t mạch stator động c IPM 19

Hình 1.9 - S đồ bố trí ba cuộn dây pha của động c IPMSM 20

Hình 1.10 - Hệ tọa độ phức cho các đại l ợng pha 21

Hình 1.11 - Biểu diễn dòng điện stator d i dạng vector không gian α β 22

Hình 1.12 - Biểu diễn véc t không gian trong hệ tọa độ dq 23

Hình 1.13 - Mô hình hệ trục toạ độ của ĐCĐB v i rotor nam châm chìm 24

Hình 1.14- Mô hình hàm truyền của IPMSM 28

H nh 1.15: S đồ ph ng pháp điều khiển FOC không cảm biến 29

Hình 2.1 - S đồ hệ thống điều khiển véc t không cảm biến vị trí 32

Hình 2.2 - S đồ của bộ c l ợng tốc độ rotor d a vào MRAS 35

Hình 2.3 - S đồ khối bộ điều khiển thích nghi mô hình m u 39

Hình 2.4 (a) bộ quan sát tuyến tính (bộ quan sát nhiễu), (b) bộ quan sát phi tuyến (SMO cho c l ợng back-emf) [22] 41

Hình 2.5 - Quan hệ giữa hệ tọa độ cố định αβ, khung tọa độ rotor dq lý t ởng, khung tọa độ rotor γδ c l ợng 49

Hình 2.6 - Tổng quát s đồ khối của hệ thống điều khiển PMSM không cảm biến sử dụng ph ng pháp b m tín hiệu HF [22] 51

Hình 3.1 - S đồ điều khiển 2 mạch vòng 53

Hình 3.2 - Mạch vòng điều khiển dòng isd 53

Hình 3.3 - Mạch vòng điều khiển dòng isq 55

Hình 3.4 - Mạch vòng điều khiển tốc độ 57

Hình 4.1 - Mô hình mô phỏng không cảm biến trong simulink 60

Hình 4.2 - Bộ điều khiển tốc độ Speed Controller 60

Hình 4.3 - Bộ điều khiển tách k nh dòng điện isd isq có bù chéo 61

Hình 4.4 - S đồ bộ nghịch l u 62

Hình 4.5 - S đồ bộ c l ợng tốc độ MRAS 63

Hình 4.6 - Mô hình thích nghi (Adaptive model) 63

Hình 4.7 - C cấu thích nghi (Adaptive Mechanism) 63

Hình 4.8 - Đáp ứng tốc độ của bộ điều khiển 64

Hình 4.9 - Đáp ứng mô men của động c 65

Hình 4.10 - Dòng điện điều khiển i d và i q 65

DANH M C CÁC TỪ VIẾT TẮT

Back-emf Back electromotive force Sức phản điện động

BLDC Brushless direct current Điện một chiều không chổi than Eemf Extended electromotive force Sức điện động mở rộng

EKF Extended Kalman filter Bộ lọc Kalman mở rộng

DSP Digital signal processor Bộ xử lý tín hiệu số

FOC Field oriented control Điều khiển t a tr ờng

HFSI High frequency signal injection B m tín hiệu tần số cao

INFORM Indirect flux detection by

online reactance measurement

Nhận biết từ thông gián tiếp bởi việc đo trở kháng trục tuyến IPMSM Interior permanent-magnet

synchronous machine

Động c đồng bộ nam châm vĩnh cửu

MRAS Model reference adaptive

system

Hệ thống thích nghi mô hình m u

MTPA Maximum torque per ampere C c đại mô men tr n dòng điện PWM Pulse width modulation Điều chế độ rộng xung

SMO Sliding mode observer Bộ quan sát chế độ tr ợt

SPMSM Surface permanent magnet

synchronous machine

Động c đồng bộ nam châm bề mặt

VSI Voltage source inverter Bộ đảo mạch nguồn áp

id, iq Th nh phần dòng điện stator theo trục d q

Lsd, Lsq Điện cảm stator theo trục d q

Te,TL Mô men điện từ mô men tải

Tsd,Tsq H ng số thời gian stator trục d q

ud, uq Th nh phần điện áp theo trục d q

ωs, ωr Vận tốc góc điện của nguồn cấp vận tốc góc c của rotor

θre, θr Vị trí góc điện v góc c của rotor

θerr Sai lệch giữa góc th c v góc c l ợng

ψf, ψr Từ thông rotor

ψs, ψsd, ψsq Từ thông stator, từ thông stator tr n trục d q

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ng y nay c ng v i s phát triễn nh vũ b o của công nghệ bán d n đ cho ra đời những bộ vi xử lý tốc độ cao bộ nh l n cho phép th c hiện những b i toán vi tích phân phức tạp trong thời gian ngắn đ dần dần thay thế những cảm biến tốc độ vị trí

b ng những thuật toán c l ợng H n nữa cảm biến tốc độ vị trí ch ng những l m tăng giá th nh bộ điều khiển m còn nhạy cảm v i những tác động c học l m giảm độ bền c khí v giảm độ tin cậy khi l m việc trong môi tr ờng khắc nghiệt Động c đồng bộ nam châm ch m (IPM ng y c ng phát triển mạnh mẽ v phạm

vi ứng dụng rất rộng bởi những u điểm v ợt trội so v i các loại động c khác nh giải điều ch nh rộng, khả năng sinh mô men l n

Chính v 2 lý do tr n m tác giả chọn đề t i

t t

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Nghi n cứu thuật toán c l ợng tốc độ vị trí cho động c đồng bộ nam châm

ch m (IPM

3 N dun

Đề t i gồm có bốn ch ng:

Ch ng I Tổng quan về động c IPM v các ứng dụng

Ch ng II Tổng quan về các ph ng pháp không d ng cảm biến

Ch ng III Mô hình hóa hệ thống và tính toán các tham số điều khiển

Ch ng IV Mô phỏng hoạt động của hệ thống không dùng cảm biến trong

Simulink

C ƢƠNG I TỔNG Q AN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM CHÌM

số điều ch nh liên tục Trong những năm 1980 biến tần cho động c AC sử dụng

ph ng pháp điều khiển t a từ tr ờng bắt đầu cạnh tranh v i động c DC Từ đó thị phần động c DC giảm xuống bởi động c AC có những điểm u việt Vùng tốc độ của động c AC rộng h n v kích th c thì nhỏ h n so v i động c DC cùng công suất Hiện tại biến tần cho động c không đồng bộ là l a chọn h ng đầu trong công nghiệp điều khiển tốc độ máy điện từ v i trăm w t i v i trăm kw

Động c đồng bộ là một nhóm của động c AC và sở hữu nhiều u điểm của máy điện cảm ứng Sử dụng động c đồng bộ kích từ DC truyền thống ch gi i hạn

ở các loại máy phát và những máy móc có công suất l n Chúng không thể cạnh tranh v i động c không đồng bộ trong những bộ d n động công suất vừa do giá

th nh cao h n v cấu trúc phức tạp h n

Đến khi dùng nam châm vĩnh cửu thay cho cuộn dây kích từ, động c đồng bộ

có nhiều điểm hấp d n h n động c không đồng bộ Rotor không cần cuộn kích từ cho nên cấu trúc khá đ n giản và giảm đ ợc tổn hao đồng bởi vì không có dòng điện trong rotor Điều n y đảm bảo hiệu suất cao h n v dễ l m mát h n so v i động c không đồng bộ Việc sử dụng đất hiếm chế tạo nam châm làm cho mật độ

từ thông dày và tiện lợi trong cấu tạo của động c v i mật độ công suất v ợt trội Nam châm vĩnh cửu đ ợc chế tạo v i nhiều hình dáng, làm cho cấu trúc động c rất

đa dạng Mặt hạn chế chủ yếu của động c đồng bộ nam châm vĩnh cửu là giá thành Cấu trúc stator th t ng t động c không đồng bộ nh ng vật liệu chế tạo

nam châm trong rotor thì khá đắt Tuy nhi n PMSM th đang trở nên phổ biến và phạm vi ứng dụng của chúng rất rộng Ng ời ta th ờng sử dụng PMSM trong các ứng dụng có độ chính xác cao công suất thấp Trong t ng lai PMSM sẽ tiếp tục thay thế động c không đồng bộ cũng nh trong những bộ d n động thay đổi tốc độ truyền thống

Động c PMSM đ ợc chia thành 2 nhóm chính: nam châm bề mặt (SPM) và nam châm chìm (IPM) nh tr n hình 1.1

 Nhóm nam châm bề mặt (SPM), kỹ thật chế tạo điển hình là những khối nam châm hình cung đ ợc dán trên bề mặt rotor hay đ ợc cố định trên bề mặt rotor b ng những ph ng pháp đặc biệt Nếu nam châm vĩnh cửu đ ợc chế tạo từ những khối ferit đặc thì chi phí chế tạo thấp nh ng bị tổn hao dòng xoáy Cho nên trong nhiều ứng dụng hiệu suất cao nam châm vĩnh cửu đ ợc ghép từ những lá nam châm mỏng chế tạo b ng vật liệu NdFeB nung kết, tuy nhiên kỹ thuật này thì chi phí chế tạo rất tốn kém

 Nhóm nam châm chìm (IPM) những khối nam châm đặt trong những khe chìm bên trong rotor đ ợc ghép từ những lá thép từ tính mỏng Những khe chứa nam châm có dạng hình nan hoa sắp xếp dọc theo h ng bán kính rotor

và tạo nên từ tr ờng tiếp tuyến Thiết kế kiểu nan hoa có u điểm tập trung

từ thông, vì thế trong động c có tính phân c c cao, mật độ từ thông trong khe hở không khí tăng l n Điều này làm cải thiện chế độ làm việc và giảm kích th c động c

So v i động c SPM th IPM có nhiều u điểm h n nam châm của SPM tiếp xúc tr c tiếp v i từ tr ờng khe hở không khí trong khi đó IPM có kết cấu vững chắc h n do nam châm đặt chìm bên trong rotor, đ ợc phủ kín bởi các lá thép kỹ thuật nên khả năng chống lại s khử từ cao, chịu đ ợc tốc độ quay l n, mật độ thông l ợng cao và khả năng phân phối mạnh h n cho mật độ mô men quay tốt h n, nên chế tạo đ ợc những động c kích th c nhỏ gọn h n Chính vì những u điểm

đó IPM rất đ ợc u chuộng đang đ ợc nhiều công ty nghiên cứu phát triển và ứng dụng

a) Động c nam châm bề mặt (SPM) b Động c nam châm ch m (IPM

Hình 1.1 - Mặt cắt động c đồng bộ

1.1 Cấu tạo

Cấu tạo động c gồm 2 phần chính đó l stator và rotor:

* Stator của động c đồng bộ nam châm chìm gồm 2 bộ phận là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

Lõi thép stator gồm các lá thép kỹ thuật điện, hai mặt đ ợc phủ l p s n cách điện đ ợc dập r nh b n trong sau đó đ ợc ghép lại v i nhau tạo thành hình trụ rỗng, bên mặt trong tạo th nh các r nh theo h ng trục để đặt dây quấn sau này (Hình 1.2) Dọc chiều dài của lõi thép stator cứ cách khoảng 3-6cm lại có một lỗ thông gió ngang trục rộng 10mm Lõi thép stator đ ợc đặt cố định trong thân máy Thân máy phải đ ợc thiết kế sao cho hình thành một hệ thống thông gió để làm mát máy tốt nhất Nắp máy th ờng đ ợc chế tạo từ gang đúc thép tấm hoặc nhôm đúc Dây quấn stator th ờng đ ợc chế tạo b ng đồng có tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật (tùy thuộc vào công suất máy), bề mặt đ ợc phủ một l p cách điện đ ợc quấn thành từng búi và lồng vào các rãnh của lõi thép stator đ ợc đấu nối theo các qui luật nhất định tạo th nh các s đồ hình sao hoặc tam giác

Rotor của động c đồng bộ nam châm c c ẩn th ờng làm b ng thép hợp kim chất l ợng cao đ ợc rèn thành khối trụ sau đó gia công phay r nh để đặt các thanh nam châm Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt đ ợc cấu trúc c học bền vững h n kiểu n y th ờng đ ợc sử dụng trong các lĩnh v c yêu cầu tốc độ cao Tốc độ loại n y th ờng cao n n để hạn chế l c li tâm rotor th ờng có dạng hình trống v i tỷ số “chiều d i/đ ờng kính” l n Máy n y đ ợc gọi là máy từ

tr ờng h ng kính (rotor trụ d i nó đ ợc sử dụng trong các máy công cụ

Tuy nhiên v i cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy không thể đ ợc coi là khe hở không khí đều Trong tr ờng hợp n y các thanh nam châm đ ợc lắp bên trong lõi thép rotor về mặt vật lý coi là không có s thay đổi nào của bề mặt hình học các nam châm Mỗi nam châm đ ợc bọc bởi một mảng c c thép nên nó làm mạch từ của máy thay đổi khá mạnh, vì do các mảng c c thép này tạo ra các đ ờng

d n từ sao cho từ thông cắt ngang các c c này và cả trong không gian vuông góc

v i từ thông nam châm Do đó hiệu ứng phân c c là rõ ràng và nó làm thay đổi c chế sản sinh mô men của máy điện

Hình 1.2 - Động c đồng bộ nam châm chìm

1-lõi thép stator; 2-rotor; 3- ĩ ửu

V i yêu cầu truyền động sezvo là vận hành phải m do đó cần phải hạn chế mô men răng c a và mô men đập mạch do các sóng hài không gian và thời gian sinh ra

Để đạt đ ợc điều n y ng ời ta th ờng tạo hình cho các nam châm, uốn các nam

châm l ợn chéo theo trục rotor, uốn rãnh và dây quấn stator kết hợp v i tính toán số răng v kích th c của nam châm Kỹ thuật tạo ra các rotor xi n l khá đắt tiền và phức tạp Trong điều kiện b nh th ờng của truyền động sezvo, nếu mô men điều hòa răng c a cỡ 2% mô men định mức thì có thể chấp nhận đ ợc Tuy nhiên có thể hạn chế đ ợc đa số các mô men điều ho răng c a trong truyền động động c đồng

bộ nam châm vĩnh cửu cấp từ bộ biến đổi b ng cách sử dụng bộ biến đổi chất l ợng cao và các bộ điều khiển có chứa các phần tử đo chính xác các thông số hoạt động

nh tốc độ, vị trí của động c

Trong các máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển, trên stator có các răng ng y nay ta có thể chế tạo các stator không răng Trong tr ờng hợp này dây quấn stator

đ ợc chế tạo từ b n ngo i sau đó đ ợc lồng v o v định vị trong stator Máy điện

nh vậy sẽ không đập mạch ở tốc độ thấp và tổn thất sẽ giảm tăng đ ợc không gian

h n cho dây quấn stator, nên có thể sử dụng dây quấn tiết diện l n h n v tăng dòng điện định mức của máy điện do đó tăng đ ợc công suất của máy Nh ng khe hở không khí l n gây bất lợi cho từ thông khe hở nên phải chế tạo rotor có đ ờng kính

l n h n v có bề mặt nam châm l n h n

1.2 Vật liệu chế tạo nam châm vĩnh vửu

Nam châm vĩnh cửu không đ ợc sử dụng cho động c trong một thời gian dài bởi vì s phát triển của vật liệu nam châm vĩnh cửu v n ch a ho n thiện cho đến giữa thế kỷ 20 Sau khi phát minh vật liệu Alnico v Ferrite nam châm vĩnh cửu

đ ợc sử dụng rộng r i cho động c DC trong ứng dụng công suất nhỏ nh động c phụ trên ô tô Gần đây s cải thiện của chất l ợng của vật liệu nam châm vĩnh cửu

và kỹ thuật tiên tiến của ph ng pháp điều khiển cho phép thay thế động c không đồng bộ b ng động c nam châm vĩnh cửu trong nhiều lĩnh v c công nghiệp

Thuật ngữ mô tả tính chất nam châm vĩnh cửu theo 3 đại l ợng chính sau

1 Từ d (Br) là mật độ từ tính hoặc từ thông v n còn trong nam châm vĩnh cửu sau bão hòa

2 Độ kháng từ (Hc l c ờng độ từ tr ờng âm cần thiết để đ a từ d về giá trị 0

3 Năng l ợng c c đại (BHmax) ch ra năng l ợng c c đại mà vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu có thể duy trì

Hình 1.3 l đ ờng cong B-H điển hình của vật liệu nam châm vĩnh cửu Khi nạp

từ tr ờng mạnh vào m u nam châm vĩnh cửu, vật liệu bắt đầu bị từ hóa Sau đó ngắt

từ tr ờng bên ngoài m u nam châm bị giảm từ dần theo đ ờng cong phía trên trong hình 1.3 Đ ờng cong này giả định một độ dốc cố định và h ng đ ợc gọi l độ thấm

từ BHmax xuất hiện tại điểm n i m đ ờng hypecbon B-H tiếp tuyến v i đ ờng khử

từ

Hình 1.3 - Giản đồ B-H của vật liệu chế tạo nam châm [4]

Bảng 1.1 cho thấy đ n vị của mỗi đặc tính Hệ số nhiệt độ (s biến đổi theo nhiệt độ của từ d %/oC ) là một đặc tính quan trọng nữa cho kỹ s thiết kế khi sử dụng nam châm vĩnh cửu chế tạo từ một số vật liệu rất nhạy v i thay đổi nhiệt độ

Bảng 1.1: những thông số chính của nam châm vĩnh cửu v đ n vị của chúng [4]

Mặc dầu việc sản xuất nam châm vĩnh cửu bắt đầu v i thép carbon từ tính từ thế

kỷ 18 ở London, thật s thì động c nam châm vĩnh cửu trong công nghiệp c bản bắt đầu v i Alnico trong nữa đầu của thế kỷ 20 Tuy nhiên, Alnico c bản v i nhôm, niken, coban, và sắt đ ợc thay thế bởi Ferit trong cuối thập niên 1960, bởi vì Alnico rất đắt do quá trình chế tạo phức tạp Mặc dầu khả năng l u trữ năng l ợng không cao, Ferit v n đ ợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng ngày nay bởi vì vật liệu thô dồi dào và chi phí sản xuất thấp Vì Ferit là hỗn hợp của những nguyên liệu tốt chế tạo từ sắt ôxit, Fe2O3, v i Barium (Br) hoặc Strontium (Sr), vật liệu từ này phổ biến để sử dụng chế tạo những hình dáng phức tạp Tuy nhiên, Ferit thì thích hợp cho ứng dụng nhiệt độ cao bởi vì t lệ Br và Hc giảm khi nhiệt độ tăng Samarium-Cobalt (Sm-Co) là một loại vật liệu nam châm đất hiếm phát triển trong những năm 1960 Chi phí và độ quý hiếm của loại vật liệu này cản trở s

th nh công trong th ng mại của nó, nh ng độ ổn định nhiệt độ tốt cho phép nó sử dụng trong ứng dụng chịu nhiệt độ cao

Sumimoto đồng thời thông báo s phát triển của Neodymium-Iron-Boron Fe-B), loại nam châm này trở nên sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh v c công nghiệp Vì khả năng l u trữ năng l ợng cao và chi phí thấp so v i Samarium-Cobalt, Neodymium-Iron-Boron là vật liệu tốt nhất trong những ứng dụng yêu cầu kích th c nhỏ Samarium-Iron-Nitride (Sm-Fe-N) là vật liệu nam châm vĩnh cửu cuối cùng gi i thiệu trong những năm giữa thập niên 1980 Vật liệu này có khả năng chống lại s khử từ cao độ mài mòn, và nhiệt độ thay đổi là những bất lợi của nam châm Neodymium-Iron-Boron

(Nd-S phát triển mang tính lịch sử của vật liệu nam châm vĩnh cửu suốt thế kỷ 20

đ ợc minh họa trong Hình 1.4 Biểu đồ này cho thấy s cải thiện của năng l ợng

c c đại trong vật liệu bởi gi i thiệu nhiệu loại vật liệu ngoại trừ Ferit Ferit không

có giá trị BHmax nh mong đợi bởi vì s tăng giá trị khử từ của ferit đ ợc kèm theo

s giảm trong từ d

Hình 1.4 - Lịch sử phát triển của vật liệu nam châm vĩnh cửu

1.3 Đặc đ ểm của đ n cơ đồng b nam châm chìm

1 3 1 Ƣu đ ểm của đ n cơ IPM

Các động c đồng bộ nam châm vĩnh cửu dạng sóng sin (PM motor) vốn đ có đặc tính điều khiển rất tốt th ờng đ ợc sử dụng trong các hệ truyền động đòi hỏi độ chính xác và chất l ợng cao nh rô bốt, máy công cụ CNC và các hệ truyền động sezvo khác Động c IPM v n giữ nguyên những u điểm vốn có này, ngoài cấu trúc nam châm ch m đặc biệt còn l m tăng khả năng sinh mô men của động c n y khiến nó là một trong những động c có nhiều u điểm nhất Động IPM kết hợp u điểm của hai động c sau:

 Động c PM thông th ờng có các nam châm vĩnh cửu đ ợc gắn trên bề mặt của rotor, ta gọi là Surface Permanent Magnet-SPM motor Động c

này có khe hở không khí tác dụng đều, từ trở theo các trục d và q b ng

nhau Do vậy mô men từ (magnet torque của động c ch do nam châm vĩnh cửu t ng tác v i dòng điện stator sinh ra

 Động c từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor) có rotor đ ợc thiết kế gồm các l p vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen l n nhau tạo ra

s khác biệt giữa từ trở trục d và trục q, sinh ra mô men từ trở (reluctance

torque Động c n y không hề có nam châm vĩnh cửu, do vậy mô men của động c ho n to n l mô men từ trở

B ng cách sử dụng nam châm vĩnh cửu gắn v i rotor đ tạo ra mật độ thông

l ợng l n và khả năng phân phối mạnh h n góp phần làm cho mật độ mô men quay tốt h n Mặc khác động c đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm đ ợc gắn chìm bên trong rotor d n t i s khác biệt giữa điện cảm dọc trục v điện cảm ngang trục (hình 1.5), từ đó tạo ra khả năng sinh mô men từ trở cộng thêm vào mô men vốn có do nam châm sinh ra (hình 1.6 Đặc tính này khiến động c có khả năng sinh mô men rất cao

Mô men điện từ trong động c IPM sinh ra do hai th nh phần: thành phần do nam châm tạo ra và thành phần tạo ra do s chênh lệch điện cảm (hoặc từ trở) dọc trục và ngang trục Nếu điều khiển theo ph ng pháp điều khiển véc t thông

th ờng th đối v i động c PMSM th nh phần mô men từ trở không đ ợc huy động

( m có góc dẫn bằng không trên hình 1.6 V điện cảm trục d nhỏ h n điện cảm trục q (hình 1.5) nên nếu ta đ a dòng điện trục d âm v o động c sẽ sinh ra mô men

từ trở d ng l m tăng mô men tổng của động c Nh ta thấy trên hình 1.6 đ ờng biểu diễn theo góc d n (đ ờng mô men tổng có điểm c c đại nh vậy, nếu việc điều khiển các véc t dòng điện đ ợc th c hiện một cách hợp lý, ta có c c đại hoá

mô men động c gọi l điều khiển c c đại t số của mô men trên dòng điện (Maximum Torque Per Ampere-MTPA)

Hình 1.5 - Biễu diễn điện cảm dọc trục và ngang trục của động c SPM v IPM

Hình 1.6 - Mô men động c đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm đ ợc gắn

chìm bên trong rotor Mặt khác động c n y cũng có phản ứng phần ứng mạnh, d n t i khả năng

giảm từ thông mạnh cho phép nâng cao v ng điều ch nh tốc độ

1.3.2 Đặc tính cơ của đ n cơ IPM

Hình 1.7 - Đặc tính c động c IPM

Mô men

M

Khi cấp cho động c IPM nguồn điện xoay chiều 3 pha có tần số f không đổi,

động c sẽ quay v i tốc độ không đổi

p



 Trong phạm vi mô men cho phép M ≤ Mmax đặc tính c l tuyệt đối cứng (độ cứng β=∞ Đặc tính c nh h nh 1.7 Khi mô men v ợt quá trị số Mmax th động

c sẽ mất đồng bộ

Ngo i ra ng ời ta còn sử dụng đặc tính góc M  f ( )  biểu diễn mối quan hệ giữa mô men của động c v i góc lệch của véc t điện áp l i và véc t sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator do từ tr ờng một chiều sinh ra

1.4 Xây dựng hệ tọa đ véc tơ khôn an cho đ n cơ IPM

Động c IPMSM có 3 cuộn dây bố trí lệch nhau một góc 1200

nh hình 1.9

Hình 1.9 - S đồ bố trí ba cuộn dây pha của động c IPMSM

Khi nối động c v i nguồn 3 pha thì trong 3 cuộn dây stator sẽ xuất hiện các dòng điện t ng ứng là isa, isb, isc thoả m n ph ng tr nh sau:

( ) cos( )

2

34

f s là tần số của nguồn áp cấp cho stator

Nếu động c có tải trên 3 cuộn dây cân b ng thì:

( ) ( ) ( ) 0

Trên mặt cắt ngang IPMSM ta thiết lập một hệ tọa độ phức có trục th c đi qua cuộn

dây pha a, ta có thể xây đựng được véc tơ không gian sau:

Trong công thức (1.9), véc t i s (t) là một đại l ợng phức có mô đun không

đổi, quay trên mặt ph ng phức v i vận tốc góc b ng v i vận tốc của từ tr ờng quay

ω s =2πf s và lệch v i trục th c một góc θ=ω s t Hệ tọa độ đ ợc mô tả nh hình 1.10

Hình 1.10 - Hệ tọa độ phức cho các đại l ợng pha

Từ hình 1.10 ta thấy nếu chiếu i s (t) lên các trục của cuộn dây pha ta thu đ ợc

dòng điện của từng pha t ng ứng T ng t th ta cũng có thể xây d ng các véc t không gian cho các đại l ợng điện áp, từ thông stator:

( ) ( )

isα và isβ cũng l các đại l ợng h nh sin úc n y ta có thể thay thế IPMSM 3 pha có

các cuộn dây a, b, c b ng động c v i 2 cuộn dây có trục cố định α và β

Hệ tọa độ cố định αβ còn được gọi là hệ tọa độ stator vì nó gắn với stator đứng

yên n n dòng điện stator đ ợc biểu diễn nh sau:

Hình 1.11 - Biểu diễn dòng điện stator d i dạng vector không gian α β

Giả thiết dòng điện trong trong 3 cuộn dây pha của động c l cân b ng, nên khi

có thông tin dòng của 2 pha bất kỳ thì ta sẽ tính đ ợc dòng điện tổng i s (t) Ta có

ph ng tr nh chuyển đổi hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ nh sau:

Hình 1.12 - Biểu diễn véc t không gian trong hệ tọa độ dq

Đặt hệ trục tọa độ dq gắn v i rotor có gốc trùng v i gốc của hệ tọa độ αβ nh trên hình 1.12 Rotor quay quanh trục của nó v i vận tốc ω r nên hệ tọa độ dq cũng

quay gốc tọa độ αβ và tạo v i trục α một góc r Ph ng tr nh biến đổi đại l ợng

dòng từ hệ tọa độ αβ sang hệ trục tọa độ dq:

.sin cos.cos sin

1.5 Mô hình toán học cho đ n cơ IPM

Trong động c đồng bộ rotor c c ẩn IPMSM từ thông rotor đ ợc sinh ra bởi những phiến nam châm vĩnh cửu đu ợc bố trí trong rotor IPMSM có một đặc điểm chính l từ thông của nó phân c c có hu ng nhất quán v cố định tính định hu ng

đó phụ thuộc v o cấu trúc co học của động co Cho n n IPMSM nếu đ ợc điều khiển t a theo từ thông rotor th sẽ thuạ n lợi ho n so v i ĐC ĐB Bởi v v i

IPMSM góc pha ban đầu θ 0 l đ biết tru c v công viẹ c điều khiển ở đây l b ng cách n o đó theo dõi góc pha đó một cách li n tục b ng các thiết bị đo tốc độ góc

Hình 1.13 - Mô hình hệ trục toạ độ của ĐCĐB v i rotor nam châm chìm

Cũng chính v u thế n y của IPMSM n n ta có thể xem hệ tọa độ dq của động

co đ ợc xác định nhu trên Hình 1.13 do đó ta có thể áp dụng các phu o ng pháp điều

khiển tr c tiếp tr n hệ tọa độ dq m không cần quan tâm t i hệ tọa độ αβ nữa Ở

đây ta cũng chu a cần phải quan tâm t i kích thích của đọ ng co l vĩnh cửu hay

đu ợc kích thích ngo i bởi v động c đồng bộ có kích thích vĩnh cửu có thể đu ợc thay thế tu o ng đu o ng b ng động c đồng bộ v i cuộn dây kích thích và một dòng điện kích từ tu o ng ứng

Để dễ d ng tiếp cận v i mô h nh toán học của IPMSM ta đu a ra một số giả thiết

đo n giản sau đây:

 IPMSM không bão hòa, quan hệ giữa dòng điẹ n v từ thông l tuyến tính

 Các dây quấn bố trí tr n mạch từ của IPMSM tạo n n sức từ động phân bố chu kỳ h nh sin nghĩa l ch chú ý t i phân bố không gian của hàm điều hòa bậc

Vì phu o ng trình (1.17) đu ợc viết tr n hệ tọa độ stator (cũng l hệ tọa độ cố định

diễn, phu o ng trình (1.17) đu ợc viết lại nh sau:

Trong đó: ω s là vận tốc góc của từ tr ờng quay

Thay (1.19) và (1.20) vào (1.18) ta đ ợc ph ng tr nh điện áp stator trong hệ tọa độ từ thông stator nh sau:

ïï

R

 là h ng số thời gian dọc trục và sq sq

s

L T R

 là h ng số thời gian ngang trục

Biến đổi aplace ph ng tr nh (1.27) ta cĩ:

1

T sd +s

ỉèç

ừ÷i sd = u sd

ïïïỵ

ïïï

ø

÷ 1+T sT sd sd

ỉèç

ừ÷

ø

÷

ìí

ïïïỵ

ïïï

Ph ng tr nh mơ men điện từ:

*2

p dt



Trong đó: Te: mô men điện từ của động c

TL: mô men cản trên trục động c

J: mô men quán tính của động c

Biến đổi Laplace ph ng tr nh (1.31) ta đ ợc

D a vào hệ ph ng tr nh tr n ta có mô h nh h m truyền động c đồng bộ IPM

Hình 1.14- Mô hình hàm truyền của IPMSM

1.6 Cấu hình đ ều khiển chung

Sử dụng ph ng pháp điều khiển véc t t a từ thông rotor để điều khiển động c

Hình 1.15: S đồ ph ng pháp điều khiển FOC không cảm biến

B ng việc mô tả động c đồng bộ 3 pha trong hệ tọa độ từ thông rotor, véc t dòng điện i đ ợc phân thành 2 thành phần is sd điều khiển từ thông ψ r , i sq điều khiển

mô men quay T e, nhờ vậy mà có thể điều khiển tốc độ động c dễ dàng

1.7 Ứng dụng của đ n cơ đồng b nam châm chìm

Động c đồng bộ nam châm chìm là một loại động c hiệu suất cao có những đặc điểm mô men quay tăng c ờng và kích cỡ nhỏ h n so v i các động c không đồng bộ thông th ờng

Ứng dụng điển hình sẽ là những ứng dụng có mô men quay cao nh thang máy, cần trục, trục quay Tuy nhi n động c n y cũng tạo ra những u thế cho những ứng dụng tiêu thụ năng l ợng l n nh trong hệ thống quạt b m v máy nén công suất l n

i

i

Trong những ứng dụng mô men quay l n động c n y đem lại rất nhiều lợi ích

Ch ng hạn đối v i máy công cụ, nó giảm thiểu l ợng nhiệt thất thoát do đó không

ch góp phần tiết kiệm năng l ợng m còn giúp duy tr độ chính xác của máy công

cụ

Đối v i thang máy động c n y giúp tiết kiệm không gian nhờ đ ợc lắp trong trục tang máy Điều khiển tốc độ cũng đ ợc tăng c ờng điều này rất có lợi cho những ứng dụng cần trục

Về kích th c thì so v i một động c không đồng bộ tiêu chuẩn kích th c vật

lý của động c n y ch b ng 1/3

Ngo i ra động c IPM còn có những u thế gần nh tuyệt đối trong ứng dụng cho ngành công nghiệp ôtô điện Nó có thể chuyển đổi 97.5% nguồn điện sẵn có trong ắc quy th nh động năng cung cấp cho ô tô (so v i 64.6% của các loại động c khác)

C ƢƠNG II TỔNG Q AN C C P ƢƠNG P P ÔNG DÙNG

CẢM BIẾN

Trong những hệ thống điều khiển PMSM, tốc độ và vị trí rotor đ ợc đo b ng những cảm biến gắn trên trục động c nh những bộ Encoder, Resolvers hay cảm biến Hall S hiện diện của những cảm biến l m tăng chi phí kích th c và giảm độ bền c khí độ tin cậy của hệ thống H n nữa chúng bị gi i hạn bởi nhiệt độ, tốc độ

và nhiều khi phải đi dây phức tạp khi bộ điều khiển đặt ngo i động c Chính v những hạn chế của cảm biến vị trí, trong vài thập kỷ qua có nhiều nghiên cứu về

ph ng pháp c l ợng vị trí và tốc độ cho bộ điều khiển không d ng cảm biến

Ph ng pháp c l ợng có thể đ ợc phân thành 4 loại chính:

1 Ph ng pháp c l ợng tr c tiếp (mạch hở) D a vào những ph ng trình của các đại l ợng có quan hệ v i vị trí nh điện áp dòng điện, từ thông,

độ t cảm v.v trong hệ tọa độ αβ hoặc dq ta tính đ ợc vị trí và tốc độ

2 Ph ng pháp mạch kín (có phản hồi MRAS t ởng của ph ng pháp

l đ a ra 2 mô h nh mô h nh m u v mô h nh thích nghi so sánh đầu ra của 2

mô hình, lấy sai số phản hồi về để hiệu ch nh mô hình thích nghi Mô hình m u

là mô hình của đối t ợng điều khiển không chứa tham số ω, mô hình thích nghi

có chứa tham số ω Mô hình thích nghi sẽ t thay đổi tham số mô h nh để sao cho sai lệch đầu ra của 2 mô hình càng nhỏ, thì giá trị ω càng chính xác

3 Ph ng pháp sử dụng bộ quan sát trạng thái (state observer t ởng

ph ng pháp này là xây d ng bộ c l ợng một đại l ợng n o đó m đại l ợng

đó l h m số của ω Cập nhật liên tục giá trị của đại l ợng đó để tính ω

4 Ph ng pháp d a vào s phân c c (hay còn gọi l ph ng pháp b m tín hiệu tần số cao Ph ng pháp n y khai thác tính chất phân c c từ thông rotor động c IPM để xác định vị trí rotor, từ đó tính đ ợc vận tốc góc của rotor

2 1 Phươn pháp ước lượng trực tiếp (mạch hở)

2 1 1 Phươn pháp dựa trên Back-emf

t ởng c bản của ph ng pháp n y l c l ợng vị trí rotor từ các đại l ợng

có mối quan hệ v i góc quay θ của rotor Ví dụ nh giá trị tức thời của sức phản điện động là hàm số của vị trí rotor Ph ng pháp n y đ ợc ứng dụng đầu tiên cho động c DC không chổi than, sức phản điện động có dạng sóng hình thang, n i m

vị trí rotor thu đ ợc từ điểm phát hiện sức phản điện động đi qua điểm không Tuy nhiên không thể xác định đ ợc sức phản điện động khi rotor quay ở tốc độ chậm

Để giải quyết vấn đề này, quy trình bắt đầu v i vòng hở là cần thiết H n thế nữa tốc độ c bản là tốc độ thu đ ợc c c đại sử dụng trong ph ng pháp này

Hình 2.1 - S đồ hệ thống điều khiển véc t không cảm biến vị trí

v

*

0

e ds

Ch nh n v o ph ng tr nh điện áp chuẩn của IPMSM, khung tọa độ m u đ ợc biểu diễn:

θerr là góc sai lệch giữa góc th c v góc c l ợng

Bây giờ xác định lại vị trí trục d, ta có:

b ng không dòng điện đ ợc điều khiển v i độ l n không đổi và m u tần số cũ

Ư c l ợng vị trí d a vào kỹ thuật back-emf, c l ợng từ thông và tốc độ từ điện áp và dòng, những thông số n y đặc biệt nhạy v i điện trở stator ở vùng tốc độ thấp Thông tin điện áp th c ở động c khó m xác định đ ợc bởi vì tín hiệu back-emf nhỏ và nhiễu hệ thống sinh ra bởi đặc tr ng phi tuyến của bộ chuyển mạch

Ph ng pháp back-emf c l ợng vị trí tốt trong vùng tốc độ trung bình và cao

nh ng thất bại trong vùng tốc độ thấp Độ l n của điện áp back-emf thì t lệ v i tốc

độ rotor, vì vậy ở trạng thái dừng nó không thể xác định vị trí ban đầu Vì thế, bắt

đầu từ vị trí không xác định có thể tạm thời đi c ng v i quay ng ợc hoặc mất điều khiển ngay từ đầu

2.1.2 Phươn pháp b ến đổi đại số

t ởng c bản của ph ng pháp n y l xử lý một loạt ph ng tr nh h nh th nh bởi mô hình PMSM và chuyển đổi hệ tọa độ, do vị trí rotor có thể biểu diễn trong phạm vi của thông số PMSM v i dòng v áp đo đ ợc Biến đổi Park và biến đổi Clarke cho điện áp v dòng PMSM tr nh b y nh sau:

Ta có mô h nh động trong hệ tọa độ αβ của IPMSM nh sau:

Nhận xét: ph ng pháp c l ợng vị trí rotor PMSM d a trên tính toán vòng hở

là rõ ràng và dễ th c hiện Tuy nhi n độ phân giải vị trí rotor thu đ ợc bởi sử dụng những ph ng pháp n y th gi i hạn bởi độ phân giải số học, do phụ thuộc vào tần

số lấy m u và tần số điều khiển mạch vòng của hệ thống điều khiển Tính chính xác của ph ng pháp phụ thuộc l n vào tính độ chính xác của thông số động c dòng điện v điện áp đo đ ợc Phép tính gần đúng v n hữu dụng nh ng có thể đ ợc cải thiện khi sử dụng bộ quan sát vòng kín đ ợc bàn luận trong phần tiếp theo

2 2 Phươn pháp mạch kín (có phản hồi) MRAS

Hệ thống thích nghi mô hình m u (MRAS) là mô hình rất hiệu quả cho c

l ợng tốc độ rotor trong các bộ điều khiển động c Nó có thể sử dụng làm bộ quan sát tốc độ độc lập hoặc bộ tính tốc độ kết hợp v i những bộ quan sát khác Trong mục này sẽ trình bày bộ quan sát tốc độ độc lập d a vào MRAS Trong hệ thống thích nghi mô hình m u nh tr nh b y trong hình 2.2, mô hình thích nghi và mô hình m u hoạt động song song Ngõ ra của mô h nh thích nghi đ ợc kỳ vọng hội tụ

v i ngõ ra mô hình m u theo c cấu thích nghi phù hợp Khi mà tốc độ c l ợng là một trạng thái bên trong của mô hình thích nghi, trạng thái hệ thống bên trong của

mô hình m u sẽ tính đ ợc nếu ngõ ra bám theo mô h nh thích nghi

Hình 2.2 - S đồ của bộ c l ợng tốc độ rotor d a vào MRAS

Ph ng tr nh điện áp stator và từ thông của IPMSM trong khung tọa độ quay

Mô Hình M u

Mô Hình Thích Nghi

C Cấu Thích Nghi