Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay động cơ đồng bộ được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp vì nó có những đặc điểm vượt trội như hiệu suất , cos cao, tốc độ í

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ QUỐC VƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên - Năm 2019

ĐỖ QUỐC VƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG

Thái Nguyên – Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đỗ Quốc Vương

Sinh ngày 09 tháng 03 năm 1979

Học viên lớp cao học khoá 20 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trung tâm kiểm định chất lượng công trình xây dựng Cao Bằng - Sở xây dựng Cao Bằng

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu” do cô giáo TS Nguyễn Thị Mai Hương hướng dẫn là nghiên cứu của tôi với tất cả các tài liệu tham

khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Thái Nguyên, ngày…….tháng … năm 2019

Học viên

Đỗ Quốc Vương

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn

tận tình giúp đỡ của cô giáo TS Nguyễn Thị Mai Hương, luận văn với đề tài

“Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu” đã được hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Cô giáo hướng dẫn TS Nguyễn Thị Mai Hương đã tận tình chỉ dẫn,

giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày……tháng……năm 2019

Tác giả luận văn

Đỗ Quốc Vương

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 3

1.1.1.Các loại PMSM 4

1.1.2 Động cơ đồng bộ IPM 9

1.1.3 Một số phương pháp điều khiển PMSM 11

1.2 Phương pháp điều khiển vector PMSM 13

1.2.1 Công thức chuyển đổi Clarke 13

1.2.2 Công thức chuyển đổi Park 15

1.3 Phân tích hoạt động của PMSM 16

1.3.1 Mô hình toán học của PMSM 16

1.3.2 Giới hạn dòng điện và điện áp 17

1.3.3 Các đặc tính của PMSM 19

1.3.4 Đặc tính công suất - tốc độ 21

1.4 Kết luận chương 1 24

Chương 2: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 26 2.1 Cấu hình điều khiển cho PMSM 26

2.2 Điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu ba pha 27

2.2.1 Mô hình hóa mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha 27

2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian 28

2.3 Thiết kế các bộ điều khiển dòng điện và tốc độ 33

2.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện bằng kỹ thuật hàm chuẩn bậc hai33 2.3.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ theo phương pháp tối ưu đối xứng 38

2.3.3 Mô phỏng và kết quả 39

2.4 Kết luận chương 2 42

Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ 44

3.1 Mạch công suất 44

3.1.1 Module FSBF10CH60B 44

3.1.2 Mạch lái 47

3.1.3 Mạch bảo vệ quá dòng 48

3.1.4 Mạch phản hồi điện áp một chiều DC link và các điện áp pha 49

3.1.5 Mạch bảo vệ thấp điện áp 50

3.1.6 Mạch điện trở hãm 51

3.1.7 Mạch nguồn nuôi 52

3.1.8 Công suất động cơ 53

3.1.9 Tính toán các tổn hao 53

3.2 Mạch điều khiển 56

Chương 4: THIẾT KẾ MẠCH IN VÀ PHẦN MỀM 58

4.1 Mô tả hệ thống phần cứng 58

4.2 Phần mềm 60

4.2.1 Thư viện Firmware ngôn ngữ C viết cho STM32F103ZET6 60

4.2.2 Tổ chức quản lý và nội dung các file thuộc các lớp dùng chung 60

4.2.3 Tổ chức và nội dung các file nguồn lớp dẫn xuất (derived classes)68 4.2.4 Thư viện điều khiển động cơ liên quan đến xử lý ngắt 76

4.2.5 Danh mục các lớp thư viện Firmware FOC 77

4.3 Kết luận chung: 78

4.4 Kiến nghị: 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay động cơ đồng bộ được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển

và trong công nghiệp vì nó có những đặc điểm vượt trội như hiệu suất , cos

cao, tốc độ ít phụ thuộc vào điện áp Tuy nhiên việc điều khiển động cơ đồng

bộ còn phức tạp do tính phi tuyến mạnh, do vậy làm cho việc ứng dụng động

cơ đồng bộ vào thực tế khó khăn

2 Đối tượng nghiên cứu

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

3 Phạm vi nghiên cứu

- Mô hình hóa và mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

- Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển nâng cao cho mạch vòng dòng điện

- Thiết kế phần cứng và phần mềm nhúng để điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu theo phương pháp tựa theo từ thông rotor

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện thuật toán điều khiển cho động

cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

- Kiểm nghiệm thuật toán điều khiển thông qua mô phỏng và thực nghiệm

- Tạo cơ sở khoa học để nghiên cứu cho các thuật toán điều khiển nâng cao hơn

5 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng các kiến thức cơ bản, cơ sở để xây dựng mô hình toán và thuật toán điều khiển hệ thống

- Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật toán;

- Tiến hành mô phỏng trên mô hình hệ thống Đánh giá, so sánh các kết quả lý thuyết, kết quả mô phỏng và thực nghiệm

6 Kết cấu của luận văn:

CHƯƠNNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.1.1 Các loại PMSM

1.1.2 Động cơ đồng bộ IPM

1.1.3 Một số phương pháp điều khiển PMSM

1.2 Phương pháp điều khiển vector PMSM

1.2.1 Công thức chuyển đổi Clarke

1.2.2 Công thức chuyển đổi Park

1.3 Phân tích hoạt động của PMSM

1.3.1 Mô hình toán học của PMSM

1.3.2 Giới hạn dòng điện và điện áp

2.1 Cấu hình điều khiển cho PMSM

2.2 Điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu ba pha

2.2.1 Mô hình hóa mạch nghich lưu nguồn áp 3 pha

2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian

2.3 Thiết kế các bộ điều khiển dòng điện và tốc độ

2.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện bằng kỹ thuật hàm chuẩn bậc hai 2.3.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ theo phương pháp tối ưu đối xứng

2.3.3 Mô phỏng và kết quả

2.4 Kết luận chương 2

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ TOÀN BỘ HỆ THỐNG

3.1 Thiết kế mạch lực

3.2 Thiết kế mạch điều khiển

3.3 Xây dựng phần mềm nhúng

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ CHẠY THỰC NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Đối với động cơ xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, thì nam châm vĩnh cửu thay thế cho cuộn dây kích từ và vành trượt cổ góp dẫn điện như đối với động cơ đồng bộ kích từ bằng cuộn dây (Wound Field Synchronous Machine – WFSM), và động cơ xoay chiều nam châm vĩnh cửu cũng không có cấu tạo lồng sóc như ở rotor của động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM) Nhờ đặc điểm đó, các PMSM có một số ưu điểm nổi bật so với các loại động cơ khác

Do không có các cuộn dây kích từ bên trong rotor, nên các động cơ xoay chiều nam châm vĩnh cửu có khối lượng nhỏ và mômen quán tính thấp, điều này giúp cho động cơ đáp ứng mômen nhanh hơn Thêm vào đó, cường độ từ trường của động cơ này vẫn lớn trong khi thể tích của động cơ có thể giảm

xuống Hơn nữa, vì không cần năng lượng để từ hóa động cơ và không có tổn thất đồng ở rotor, nên PMSM có hiệu suất cao hơn IM và WFSM Điều này cũng giúp giảm chi phí và kích thước biến tần dùng cho PMSM Nhờ không

có tổn thất đồng ở rotor, nên rotor PMSM hầu như không tự sinh nhiệt mà còn nhận nhiệt từ phía stator, giúp quá trình tản nhiệt trong động cơ tốt hơn Đặc biệt, một số PMSM có lợi thế vượt trội là được thêm mômen từ trở trong dải điều khiển giảm từ thông, vì vậy, chúng có thể được thiết kế để có một dải công suất không đổi rộng Các kết quả trên dẫn đến PMSM có mật độ công suất cao hơn bất kỳ loại động cơ nào khác Nói cách khác, với cùng một công suất yêu cầu thì PMSM cần một không gian hiệu dụng nhỏ so với các loại động cơ khác

Về nguyên lý hoạt động, khi nối nguồn ba pha vào các cuộn dây stator của PMSM, dòng điện chạy trong hệ thống ba cuộn dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ:

(1.1)

với fe là tần số dòng điện stator, Pn là số đôi cực của động cơ đồng bộ

Từ trường này sẽ tương tác với từ trường rotor tạo ra mômen kéo rotor quay với tốc độ đúng bằng tốc độ của từ trường quay Như vậy, từ trường trong động cơ gồm hai thành phần là từ trường rotor và từ trường stator Từ trường stator là do dòng điện stator tạo thành, còn từ trường rotor là do nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor tạo thành

1.1.1 Các loại PMSM

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PM Motor)

Động cơ đồng bộ (Synchronous Motor )

Động cơ từ trở (Reluctance Motor)

Động cơ đồng bộ

kích từ bằng cuộn dây

Sức phản điện động hình sin (PMAC hay PMSM)

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (IPMSM)

Động cơ đồng bộ nam

châm vĩnh cửu bề mặt

(SPMSM)

Sức phản điện động hình thang (BLDC Motor)

Dựa vào đặc điểm và cấu tạo của rotor, các động cơ đồng bộ

(Synchronous Motor – SM) có thể được phân loại như Hình 1.1

Hình 1.1: Các loại động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha

Trong Hình 1.1, động cơ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Motor – PM Motor) được phân thành hai loại theo dạng sóng sức phản điện động Một loại có đặc điểm là sức phản điện động hình sin được gọi là PMAC hay PMSM (Permanent Magnet Alternating Current, Permanent Magnet Synchronous Motor), và một loại khác là động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC motor) Dạng sóng sức phản điện động có hình dạng phụ thuộc vào nam châm, sự sắp xếp các rãnh và kiểu quấn dây

Động cơ BLDC có đặc điểm là mômen bị nhấp nhô với tần số nhấp nhô gấp 6 lần tần số chuyển mạch Điều này là khác biệt hoàn toàn với các loại động cơ thông thường khác với mômen là một đường thẳng Do mômen nhấp nhô nên tốc độ của động cơ BLDC không ổn định và có tiếng ồn khi làm việc, đặc biệt là ở vùng tốc độ thấp

Hình 1.2 (bvm 8a-e) thể hiện các mặt cắt của các PMSM hai cặp cực có sin với nam châm vĩnh cửu bề mặt hoặc là nam châm vĩnh cửu chìm Sự khác

nhau là do vị trí của các nam châm vĩnh cửu (được bôi đen trong Hình 1.2)

Nếu các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của rotor như Hình 1.2

(a-b), thì nó được gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt (Surface

mounted PMSM-SPMSM) Nếu các nam châm mà được đặt chìm trong lõi

rotor như Hình 1.2 (c),(d), thì chúng được gọi là động cơ đồng bộ nam châm

vĩnh cửu chìm (Interior PMSM-IPMSM) Trong Hình 1.2 (b), các nam châm

vĩnh cửu được đặt vào rãnh của bề mặt rotor, được gọi là động cơ nam châm

ghép bề mặt (inset magnet motor) Đối với động cơ nam châm ghép bề mặt,

mặc dù nam châm ở trên bề mặt, nhưng từ trở có đặc điểm gần giống với

IPMSM, đặc biệt là điện cảm trục q lớn hơn so với điện cảm trục d Với bố trí

từ thông tập trung như Hình 1.2 (d) thì mật độ từ thông khe hở không khí có thể

được tăng lên lớn hơn so với ở bề mặt của nam châm vĩnh cửu

So sánh giữa PMSM và động cơ BLDC chỉ ra rằng PMSM có thể điều

chỉnh tốc độ và vị trí chính xác hơn so với động cơ BLDC Hơn nữa, PMSM

không tạo ra mômen nhấp nhô giống như động cơ BLDC Nhưng giá trị sử

dụng của các động cơ BLDC là ở điểm điều khiển đơn giản và giá thành cạnh

tranh Động cơ BLDC thường có giá thành thấp và công suất nhỏ (nhỏ hơn

5kW), và được ứng dụng trong máy quạt gió, dụng cụ cầm tay, các ứng dụng

gia dụng… So sánh giữa BLDC và PMSM được liệt kê trong Bảng 1.1

Hình 1.2: Mặt cắt một số dạng rotor tiêu biểu của động cơ đồng bộ: (a) nam

: Nam châm vĩnh cửu : Không có nam châm vĩnh cửu

: Thép rotor

châm lồi bề mặt; (b) nam châm ghép bề mặt; (c) nam châm chìm; (d) nam châm chìm (từ thông tập trung); và (e) nam châm chìm nhiều lớp dọc trục; (f) rotor nhiều mảng của SynRM; (g) rotor nhiều lớp dọc trục của SynRM

Bảng 1.1: So sánh giữa động cơ BLDC với PMSM

vuông Cao

Sóng sin Sóng sin Thấp Cảm biến vị trí Cảm biến Hall (giá

thành rẻ)

Resolver (giá thành đắt)

Kiểu quấn dây stator Tập trung (tốn ít

đồng)

Phân tán (tốn nhiều đồng)

Đối với động cơ từ trở (Reluctance Motor) có thể được chia làm hai loại: động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor - SynRM) và

động cơ từ trở thay đổi (Switch Reluctance Motor, Variable Reluctance

Motor - SRM) Trong đó, các SynRM có số cực ở stator và rotor là bằng nhau Rotor SynRM được thiết kế để hướng từ thông qua rotor theo quỹ đạo mong muốn, do đó các lỗ trống được tạo ra nhằm mục đích này như trên Hình 1.2 (f-g) Cũng nhờ vậy nên khi làm việc, rotor động cơ này mát hơn so với các động cơ khác Số cực điển hình của SynRM là 4 và 6 Còn các SRM cũng

có thể được xem là một dạng của động cơ bước với số cực ít Các SRM khác

nhau về số lượng pha quấn trên stator và chúng là một con số nhất định dựa vào sự tổ hợp phù hợp giữa số cực của stator và số cực rotor Ví dụ như SRM

2 pha 4/2 (stator 4 cực, rotor 2 cực), và SRM 3 pha 6/4 (stator 6 cực, rotor 4 cực) Nhờ cấu tạo đặc biệt này, đối với SRM, ngoài điều khiển dòng điện, điện áp còn có thể điều khiển góc quay của rotor về nguyên lý hoạt động, khi kích thích bằng liên tiếp các xung dòng điện ở mỗi pha của stator SRM, thì rotor của động cơ có xu hướng đuổi theo hướng từ trở nhỏ nhất, từ đó tạo chuyển động quay cho trục động cơ

thấy trong IPMSM

Sự bố trí các cặp nam châm bên trong lõi thép và cấu tạo lõi thép khiến cho từ thông của rotor chỉ hướng theo một trục nhất định, ta gọi trục đó là

trục sinh từ thông d, trục còn lại không sinh từ thông gọi là trục q, được mô tả

trên Hình 1.3 Với cách bộ trí nam châm như trên dẫn đến từ thông khe hở không khí không đều Do đó, điện cảm trên hai trục cũng khác nhau Cụ thể

là điện cảm ngang trục L q của IPMSM lớn hơn điện cảm dọc trục L d (Lq >

Ld), và tỷ số ξ = L q / L d được gọi là hệ số nhấp nhô Mức độ sai lệch giữa hai

thành phần điện cảm này lớn hay nhỏ tùy thuộc vào cấu tạo của động cơ Nhờ

đặc điểm này đã dẫn đến một số ưu điểm trong điều khiển động cơ IPM

Hình 1.3: Các đường sức từ của nam châm vĩnh cửu IPMS

Vật liệu làm nam châm cho động cơ là vật liệu có mật độ từ tính lớn, do đó, kích thước của rotor không cần quá lớn mà vẫn đạt được từ thông mong muốn, nhờ đó mà mật độ công suất của IPMSM thường rất cao Giống với động cơ SPM, khả năng sinh mômen của động cơ IPM nhờ vào sự tương tác

giữa dòng điện stator và từ thông của rotor, mômen này gọi là mômen điện từ (Electromagnetic Torque) Tuy nhiên, do có L d ≠ Lq nên IPMSM có thêm một

thành phần mômen từ trở (Reluctance Torque), điều này giúp cho động cơ

IPM có khả năng sinh mômen cao hơn Hơn nữa, IPMSM còn có khả năng

giảm từ thông mạnh nên có thể điều chỉnh tốc độ trong một dải rộng

Ưu nhược điểm:

• Có khả năng sinh mômen cao, dải điều chỉnh tốc độ rộng;

• Khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, mật độ công suất lớn;

• Giá thành còn rất đắt

Để thấy rõ hơn những ưu điểm của IPMSM, ta tiến hành so sánh IPMSM với SPMSM và kết quả được đưa ra trong Bảng 1.2

Sóng hài từ trường của nam

Với những ưu điểm nổi bật của IPMSM như trên, trong luận văn, tác giả

sẽ chọn động cơ đồng bộ IPM làm đối tượng nghiên cứu chính, sau đó sẽ mở rộng bài toán với một số động cơ khác

1.1.3 Một số phương pháp điều khiển PMSM

Để điều khiển PMSM, ta chỉ có thể sử dụng các phương pháp điều khiển

tần số, như điều khiển vô hướng U / f, điều khiển vector tựa từ thông rotor (Field Oriented Control - FOC), điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque

Control - DTC)

Phương pháp điều khiển vô hướng U / f là phương pháp điều khiển đơn

giản và dễ thực hiện nhất Ý tưởng của phương pháp là thay đổi tần số để thay đổi tốc độ đồng bộ, từ đó thay đổi tốc độ động cơ Tuy nhiên, nếu điện

áp cấp cho động cơ được giữ không đổi và giảm tần số sẽ kéo theo việc gia tăng từ thông trong khe hở không khí, khi đó dễ dẫn đến bão hòa mạch từ, dòng từ hóa tăng, méo dạng sóng dòng và áp cung cấp cho động cơ dẫn đến tổn hao đồng trên stator sẽ tăng Để tránh tình trạng này, người ta thường

giảm điện áp đi đôi với giảm tần số sao cho từ thông khe hở không khí được giữ nguyên không đổi Trong các ứng dụng công nghiệp, phương pháp này

được phân làm hai loại: 1) điều khiển U / f sao cho từ thông là hàm của mômen tải; và 2) điều khiển U / f sao cho từ thông luôn luôn không đổi ở toàn

dải điều chỉnh Mặc dù có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện nhưng phương pháp này có nhược điểm là ổn định tốc độ ở vùng tốc độ thấp gặp khó khăn,

do vậy thường được dùng trong các ứng dụng không yêu cầu điều chỉnh sâu tốc độ

Còn phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) ra đời dựa trên việc áp dụng các phép biến đổi tuyến tính không gian vector Tinh thần của phương pháp là dùng các công cụ biến đổi vector để ước lượng đại lượng

từ thông rotor r và điều chỉnh nó Ưu điểm của phương pháp này là có thể

ổn định tốc độ ở vùng cận không, cho họ đặc tính cơ của động cơ không đồng

bộ giống với đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở vùng

từ thông không đổi Phương pháp này sẽ được trình bày rõ hơn ở mục 1.2 trong luận văn này

Phương pháp thứ ba là phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) xuất hiện và phổ biến vào thập kỉ 90 của thế kỉ 20 Phương pháp này dựa vào việc điều khiển vị trí vector từ thông stator s để điều khiển mômen động cơ

Để thực hiện phương pháp này, ta cần dựa trên phép biến đổi vector để xác định độ lớn và vị trí vector s , thay đổi vector điện áp stator us để thay đổi vị trí vector s Ưu điểm của phương pháp này là không cần xác định vị trí của rotor và cho đáp ứng mômen nhanh Nhược điểm là với mômen đập mạch sinh ra, dẫn đến động cơ làm việc ở tốc độ thấp khó ổn định

Với những ưu nhược điểm của các phương pháp đã nêu ra ở trên nên trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp FOC để xây dựng cấu trúc điều khiển cho bài toán điều khiển nâng cao hiệu suất PMSM

1.2 Phương pháp điều khiển vector PMSM

Tư tưởng của phương pháp điều khiển vector xuất phát từ nguyên lý

điều khiển của động cơ điện một chiều (Direct Current - DC) Động cơ điện

DC có đặc tính điều khiển đơn giản, từ thông được sinh ra bởi dòng điện kích

từ và mômen được sinh ra nhờ dòng điện phần ứng của động cơ Hai dòng điện này là độc lập và có thể điều khiển dễ dàng, do đó ta có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen của động cơ Với ưu điểm này, động cơ điện DC

đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển truyền động ở những năm đầu ứng dụng điều khiển số

Đối với động cơ xoay chiều (Alternating Current - AC) ba pha, việc mô

tả toán học để có đặc điểm điều khiển độc lập như động cơ điện DC là rất khó khăn Do đó, phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông rotor đã được xem xét và đề xuất bởi K Hasse và F Blaschke Phương pháp này cho phép biểu diễn dòng điện stator thành hai dòng điện độc lập, có khả năng tạo từ thông và mômen giống với mô hình động cơ điện một chiều Điều này được thực hiện bằng cách chuyển các thành phần dòng điện và điện áp trong hệ tọa

độ cố định sang hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông rotor, dựa trên các công thức chuyển đổi tuyến tính trong không gian vector do Clarke và Park đề xuất Khi ta thành công trong việc điều khiển vector dòng điện stator đảm bảo nhanh, chính xác và không tương tác (điều khiển tách kênh, đảm bảo cách ly giữa hai quá trình: từ hóa động cơ và tạo mômen quay), thì ta có thể thiết kế các bộ điều khiển vòng ngoài giống như đối với động cơ điện DC

1.2.1 Công thức chuyển đổi Clarke

Công thức chuyển đổi Clarke cho phép biểu diễn vector dòng điện

stator i s gồm ba thành phần xoay chiều i a ,i b ,i c trong hệ tọa độ stato r cố định

a-b-c thành một vector gồm hai thành phần xoay chiều i α , i β trong hệ tọa độ Descartes, hay còn gọi là hệ tọa độ trực giao đứng yên α-β , trong đó trục α

trùng với trục dây quấn pha a của động cơ Ta thấy rằng, hai dòng điện i α , i β

là hai dòng điện xoay chiều hình sin

Hình 1.4: Vector dòng điện stator trên hai hệ tọa độ cố định stator và α-β

Biểu diễn hình học của công thức chuyển đổi được minh họa trên Hình 1.4 Công thức chuyển đổi Clarke được mô tả theo phương trình dưới đây:

(1.2)

Trong đó: ia , ib , ic là các dòng điện trên hệ tọa độ stator; và iα, iβ là các dòng điện trên hệ tọa độ α-β

Bằng cách tương tự như đối với vector dòng điện stator, các vector điện

áp stator, từ thông stator… đều có thể được biểu diễn bởi các phần tử thuộc

hệ tọa độ trực giao đứng yên α-β

Dựa vào Hình 1.4, ta cũng có công thức chuyển đổi Clarke ngược từ hệ tọa độ α-β sang hệ tọa độ stator cố định a-b-c:

(1.3)

1.2.2 Công thức chuyển đổi Park

Công thức chuyển đổi Clarke đã biểu diễn vector dòng điện stator i s từ

ba thành phần xoay chiều i a ,i b ,i c trong hệ tọa độ stator cố định a-b-c về chỉ còn hai thành thành phần iα,iβ trong hệ tọa độ trực giao đứng yên α β Tuy nhiên, vector dòng điện trong hệ tọa độ α-β là vector vẫn quay với tần số góc của từ trường quay stator α, vì vậy, dòng điện iα,iβ là các dòng xoay

chiều Để đơn giản trong điều khiển, các dòng điện xoay chiều này được

biểu diễn thành hai dòng điện một chiều i d ,i q Việc biểu diễn này được xây dựng thành công thức chuyển đổi Park, được đưa ra trong bài báo năm 1929 của tác giả Robert H Park Bài báo được xếp hạng thứ hai trong các bài Biểu diễn hình học của công thức

Park được minh họa trên Hình 1.5 Trong đó: Ω s là tốc độ góc vector của

vector dòng điện stator i s ; θ s là góc pha giữa trục chuẩn α và trục d

dòng điện stator i ; và là góc pha giữa trục chuẩn αvới trục d

Hình 1.5: Vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định α-βvà hệ tọa độ quay d-q

Công thức chuyển đổi Park [1]:

(1.4)

Công thức (1.4) cho phép đưa vector dòng điện quay stator trong tọa độ trực giao đứng yên α-β thành vector dòng điện đứng yên, bằng cách cho hệ tọa độ trực giao đứng yên α-β quay quanh gốc với tần số góc bằng tần số góc của vector dòng điện quay stator Ta gọi hệ tọa độ quay này là hệ tọa độ trực giao quay d-q

Tương tự ta cũng có công thức chuyển đổi Park ngược từ hệ tọa độ d-q về

hệ tọa độ α-β:

(1.5)

Như vậy thông qua hai phép biến đổi Clarke và Park, ta có thể đưa vector dòng điện gồm ba thành phần trong hệ tọa độ cố định ia,ib,ic thành vector dòng điện trong hệ tọa độ quay d-q chỉ gồm hai thành phần một chiều

id , iq Tuy nhiên, để giống với nguyên lý điều khiển của động cơ điện một chiều, ta phải chọn hệ tọa độ d-q sao cho dòng điện id là thành phần sinh từ thông và dòng điện iq là thành phần sinh mômen Để làm được điều đó, ta gán trục d của hệ tọa độ d-q trùng với hướng từ thông của rotor, khi đó trục q

sẽ hướng theo chiều không sinh từ thông và hệ trục tọa độ d-q sẽ quay với tốc

độ góc đồng bộ với tốc độ góc của từ thông rotor Phương pháp điều khiển như vậy gọi là điều khiển vector tựa theo từ thông rotor (FOC)

Đối với PMSM, tốc độ góc của từ thông rotor cũng chính là tốc độ góc của trục rotor ω=ω và góc pha giữa trục chuẩn α(trục của hệ tọa độ α-β) với

trục của từ thông rotor ψ trục d của hệ tọa độ d-q) chính bằng góc cơ

θ s =θ r Như vậy, đối với PMSM, ta có thể sử dụng trực tiếp góc cơ công thức (1.4) và (1.5)

1.3 Phân tích hoạt động của PMSM

1.3.1 Mô hình toán học của PMSM

Trong hệ tọa độ d-q quay đồng bộ với vận tốc điện, quan hệ điện áp và

dòng điện được biểu diễn như sau:

Mômen điện từ của động cơ được tính theo công thức sau:

Te= Pn [ miq+(Ld-Lq)idiq] (1.7) Trong đó Ud , Uq : điện áp đầu cực theo hai trục d,q;

m : từ thông nam châm vĩnh cửu

Giả sử J là mômen quán tính của rotor, T c là mômen cản, và bỏ qua ma sát thì ta có phương trình cơ học sau:

Te –Tc = J (1.8)

trong đó O) r là tốc độ quay của rotor, được tính theo công thức sau:

r = (1.9) Giới hạn từ thông rotor của PMSM có thể được phản ánh qua điện cảm dọc trục Ld và dòng điện kích thích tương đương của nam châm vĩnh cửu

(nguồn dòng ảo) i f Khi đó, có thể xem:

m = Ldif (1.10)

1.3.2 Giới hạn dòng điện và điện áp

Gọi I smax là biên độ dòng điện lớn nhất của PMSM Lúc đó, giới hạn dòng điện của động cơ được biểu diễn như một đường tròn (Hình 1.6) có phương trình như sau:

+ (1.11)

Hình 1.6: Đường tròn giới hạn dòng điện và ellipse giới hạn điện áp với

đường cong mômen bằng hằng số của IPMSM

Ở vùng tốc độ cao của PMSM, điện áp rơi R s i d và R s i q trên điện trở cuộn dây stator là rất nhỏ so với các thành phần khác trong (1.6), nên chúng thường được bỏ qua khi chọn giới hạn điện áp Giả sử động cơ đang làm việc

ở trạng thái ổn định và bỏ qua điện áp thuần trở rơi trên điện trở stator, mô hình toán (1.6) trở thành:

Trong đó Usmax liên quan đến điện áp dc-link Udc và được tính bằng công thức Usmax =Udc / Giới hạn điện áp (1.14) là một ellipse trong mặt phẳng (id, iq) và phụ thuộc vào tốc độ ũ)e Như trên Hình 1.6 là đang biểu diễn ellipse giới hạn điện áp của IPMSM (Lq >Ld) Ellipse này co lại đến điểm (-

m / Ld ,0) khi tốc độ e tăng Ràng buộc điện áp (1.14) có thể được viết gọn lại dưới dạng:

e Usmax (1.15)

trong đó : là từ thông khe hở không khí

1.3.3 Các đặc tính của PMSM

Các đặc tính của PMSM theo tốc độ được biểu diễn trên Hình 1.7

Hình 1.7: Các đặc tính của PMSM ở dải tốc độ quay định mức và vùng giảm từ thông

Để khai thác công sức tối đa của động cơ, điện áp và dòng điện lớn nhất sẽ được sử dụng Do đó, khi làm việc ở công suất cực đại, các điểm làm việc cần phải được xác định tại giao điểm của các đường giới hạn điện áp và dòng điện Chú ý rằng, đường tròn giới hạn dòng điện không phụ thuộc vào tốc độ, trong khi ellipse giới hạn điện áp thì có lại khi tốc độ tăng Bởi vậy, các điểm làm việc di chuyển dọc theo vòng tròn bên trái (điểm A - điểm C

của Hình 1.6) Theo sự di chuyển này, mômen giảm, bằng cách ấy nó được biểu diễn bằng một đường cong parabola trong khoảng (A, C) của Hình 1.7 Nếu tốc độ được tăng thêm nữa, ellipse điện áp tiếp tục bị co lại Trong dải tốc

độ đó, dòng điện giảm khi tốc độ tăng Các đường đặc tính điện áp, dòng điện, mômen, và từ thông trong vùng giảm từ thông được thể hiện trong Hình 1.7

1.3.3.1 Dải tốc độ quay định mức

Dải tốc độ quay định mức được giới hạn trong dải tốc độ từ không đến tốc độ cơ bản (0 base) Trong vùng này, mômen cực đại được giới hạn bởi dòng điện stator lớn nhất Khi tốc độ dưới tốc độ cơ bản, sức phản điện động của động cơ bé, điều kiện về giới hạn điện áp (1.14) luôn được thỏa mãn, lúc này chỉ cần chú ý đến giới hạn dòng điện (1.11) Khi tốc độ tăng lên, sức phản điện động tăng lên đến khi đạt giá trị giới hạn, và công suất cũng tăng theo sức phản điện động (trong khoảng 0 đến A trên Hình 1.7) Ở tốc độ cơ bản

basi (tại điểm A trên Hình 1.6), điện áp đầu cực của động cơ đạt đến giới hạn

Ở dải tốc độ quay định mức, phương pháp điều khiển thường dùng là điều

khiển tối ưu dòng điện đầu vào đáp ứng mômen của phụ tải (Maximum Torque

per Ampere - MTPA)

1.3.3.2 Vùng giảm từ thông phía thấp

Như đã trình bày ở trên, ở dải tốc độ quay định mức thì mômen được duy trì bằng hằng số và từ thông cũng được giữ không đổi, tốc độ tăng khiến sức phản điện động tăng và do dó điện áp cung cấp cũng phải tăng theo Tuy nhiên, điện áp này bị giới hạn bởi khả năng cung cấp của biến tần Lúc này, theo (1.15) thì nếu muốn tiếp tục tăng tốc độ thì phải điều chỉnh giảm từ thông để điều kiện điện áp (1.14) vẫn được thỏa mãn

Khi tần số tiếp tục tăng, ellipse điện áp co lại trong khi dòng điện đạt

mức cực đại Imax Do đó, vector dòng điện di chuyển dọc theo đường tròn ( giới hạn dòng điện) từ A đến C trên Hình 1.6 Lúc này, mômen giảm tỷ lệ nghịch với tốc độ tăng, và công suất bằng hằng số (trong khoảng từ A đến C

trên Hình 1.7) Dọc theo biên giới hạn này, dòng điện trục d giảm (âm hơn), tạo thêm từ thông trục d ngược dấu với từ thông nam châm vĩnh cửu m, dẫn đến từ thông khe hở không khí giảm xuống Vì điện áp và dòng điện vẫn giữ không đổi nên công suất cũng là không đổi Vì vậy, vùng giảm từ thông phía

thấp còn được gọi là vùng công suất không đổi, và thường dùng phương pháp

điều khiển công suất cực đại 6 để điều khiển Trong vùng này, mômen giảm tỷ

lệ nghịch với tốc độ ω e Dải tốc độ này được gọi là dải tốc độ công suất

không đổi (Constant Power Speed Range - CPSR)

1.3.3.3 Vùng giảm từ thông phía cao

Phương pháp điều khiển thường dùng cho vùng tốc độ cực cao này là

điều khiển tối ưu từ thông đáp ứng mômen của phụ tải Chiến lược điều khiển

này được sử dụng như là bước cuối cùng trong vùng tốc độ cao của PMSM

khi Is > m / Ld Điểmmômen cực đại ứng với mỗi mức từ thông được xác định dựa vào tiếp tuyến của đường cong mômen với giới hạn điện áp như tại các điểm C và D ở Hình 1.6

Trong vùng tốc độ cực cao này, ellipse điện áp tiếp tục co lại vào bên

trong đường tròn dòng điện đến điểm (-m / L d ,0) và dòng điện của động cơ cũng giảm

Cho nên, mômen của động cơ cũng giảm rất nhanh và tỷ lệ với 1/ ω 2

Khi mà ω e đủ lớn thì vế bên phải của (1.16) xấp xỉ bằng 0 Hay khi i d → -i f và i f thì

ω e → ꝏ Theo khả năng tạo ra tốc độ cực đại được xác định theo tiêu chí:

Hình 1.8 thể hiện ba trường hợp với các giới hạn điện áp và dòng điện và đồ

thị công suất theo tốc độ Minh họa cụ thể cho ba trường hợp được tổng hợp như sau:

1) Trường hợp / m > L d I smax: Tương ứng với trường hợp này (Hình 1.8 (a)), từ thông rotor m lớn hơn giá trị lớn nhất của từ thông mà được tạo bởi

dòng điện stator trên trục ư Lúc này, tâm của ellipse giới hạn điện áp (-i f ,0) nằm bên ngoài đường tròn giới hạn dòng điện Tốc độ tối đa mà động cơ có

thể đạt được ứng với điểm (- I s max,0) được gọi là tốc độ giới hạn và có thể suy

ra từ (1.16):

ω c = U smax / m - L d I smax (1.18)

Sau tốc độ này, không còn điểm chung giữa giới hạn dòng điện và điện

áp, nên công suất giảm nhanh về 0 khi động cơ đạt được tốc độ này

2) Trường hợp m = L d I smax : Đây là trường hợp i f = I smax (Hình 1.8 (b) Vì tâmcủa ellipse giới hạn điện áp nằm trên đường tròn giới hạn dòng điện, nên giao điểm luôn luôn tồn tại ở bất kỳ tốc độ lớn nào Do đó, vùng công suất không đổi có thể được mở rộng đến tốc độ vô cùng về mặt lý thuyết

(a)

(b)

(c)

Hình 1.8: Quỹ đạo dòng điện và đặc tính công suất - tốc độ trong ba trường hợp:

(a)m > LdIsmax ; (b)m = LdIsmax ; (c) m < LdIsmax •

3) Trường hợp / m <L d Ismax: Lúc này, tâm của ellipse nằm trong đường tròn giới hạn dòng điện tại mọi tốc độ (Hình 1.8 (c)) Từ thông nam châm có thể bị khử hoàn hoàn bởi từ thông stator Ở trường hợp này, vùng công suất không đổi cũng được mở rộng đến vô hạn Tuy nhiên, công suất đầu ra bé hơn so với trường hợp 2

Như vậy, để mở rộng CPSR thì cường độ từ thông của nam châm vĩnh cửu trên rotor cần phải được cân đối với dòng điện stator lớn nhất Tiêu chí (1.17) là một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế các hệ truyền động ứng dụng CPSR Đối với những hệ truyền động có yêu cầu dải điều chỉnh tốc độ rộng ở vùng công suất không đổi thì động cơ có đặc tính như trường hợp 2 và

3 được ưu tiên lựa chọn

1.4 Kết luận chương 1

Trong chương này, luận văn đã giới thiệu về các động cơ đồng bộ, bên cạnh đó đã phân loại các động cơ này dựa vào dạng sóng của sức phản điện động và đặc điểm cấu tạo của rotor Qua so sánh và đánh giá ưu nhược điểm của từng loại động cơ thì nổi bật lên loại PMSM với nhiều ưu điểm về mômen

và tốc độ Do đó, tác giả đã tiếp tục đi sâu phân tích thêm một loại động cơ tiêu biểu, với các ưu điểm vượt trội trong các PMSM là IPMSM Từ những phân tích trên, tác giả đã chọn động cơ IPM là đối tượng nghiên cứu chính của luận văn, sau đó sẽ mở rộng bài toán ra các loại động cơ khác

Ngoài ra, luận văn còn đưa ra một số phương pháp điều khiển có thể ứng dụng cho PMSM và nhận thấy rằng phương pháp FOC có nhiều ưu điểm về điều khiển hơn nên đã chọn phương pháp này để xây dựng cấu trúc điều khiển cho bài toán đưa ra Đây là một phương pháp điều khiển hiện đại giúp tách các thành phần dòng điện tạo từ thông và dòng điện sinh mômen quay từ hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha ở stator, nhờ mạch vòng điều khiển dòng điện stator Từ các công thức chuyển đổi giữa các hệ tọa độ có trong phương pháp FOC, tác giả đã xây dựng thành các khâu chuyển đổi hệ tọa độ trong

MATLAB/SIMULINK như ở phụ lục P.1

Trong phần cuối của chương, luận văn đưa ra mô hình toán học của

PMSM trong hệ tọa độ d-q Từ mô hình toán này, tác giả đã xây dựng được

mô hình của IPMSM trong MATLAB/SIMULINK như ở phụ lục P.2 Cũng dựa vào mô hình toán này, giới hạn dòng điện và điện áp của PMSM được đưa ra Trong đó, đối với trường hợp là IPMSM (>1) thì giới hạn điện áp

là một ellipse, còn nếu trong trường hợplà SPMSM (=1) thì giới hạn điện

áp này là một đường tròn, và các giới hạn điện áp này đều có tâm tại (-ỉ f ,0)

trong hệ tọa độ d-q Giới hạn dòng điện của các PMSM đều là đường tròn có tâm tại gốc của hệ tọa độ d-q Trong phần này, luận văn cũng phân tích các

đặc tính điện áp, dòng điện, mômen và từ thông rotor của PMSM theo dòng điện Từ đó chia vùng làm việc của động cơ thành 3 vùng: vùng tốc độ quay định mức, vùng giảm từ thông phía thấp (vùng công suất không đổi) và vùng giảm từ thông phía cao Trong đó, trong vùng giảm từ thông phía thấp (vùng tốc độ cao) thì mômen của động cơ giảm tỷ lệ nghịch với tốc độ, còn trong vùng giảm từ thông phía cao (vùng tốc độ cực cao) thì mômen động cơ giảm tỷ lệ nghịch với bình phương tốc độ Ngoài ra, tác giả còn đưa ra đặc tính công suất - tốc độ của động cơ PMSM với 3 trường hợp riêng biệt Các nội dung này cũng sẽ là nền tảng phục vụ cho một số nội dung

ở các chương sau

Trên cơ sở đối tượng điều khiển và phương pháp điều khiển đã chọn trong chương này, ở chương tiếp theo, tác giả sẽ đưa ra cấu hình điều khiển tối thiểu tổn thất cho PMSM, sau đó thiết kế các mạch vòng điều khiển có trong cấu hình này

Chương 2: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

NAM CHÂM VĨNH CỬU

2.1 Cấu hình điều khiển cho PMSM

Cấu hình của một hệ truyền động điện điều khiển tựa theo từ thông rotor (FOC) sử dụng PMSM được đưa ra trên Hình 2.1:

Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển cho PMSM

Sơ đồ Hình 2.1 gồm hai mạch vòng điều khiển: mạch vòng điều khiển dòng điện bên trong và mạch vòng điều khiển tốc độ bên ngoài Động cơ được nuôi bằng bộ nghịch lưu nguồn áp Khối SVM là khối điều chế vector không gian, có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển để đóng mở các van công suất trong bộ nghịch lưu nguồn áp để tạo điện áp xoay chiều ba pha cấp

cho động cơ Khối Rj là bộ điều khiển dòng điện tách kênh thông dụng PI,

có nhiệm vụ tính toán để đưa ra giá trị điện áp đặt u*

Đặc biệt, trong sơ đồ có khối LMA (Loss Minimization Algorithm) được cài đặt thuật toán tối thiểu tổn thất cho PMSM Khi đó, giá trị đặt tốc độ trục động cơ

*

 (* tượng trưng cho giá trị đặt), qua bộ điều khiển tốc độ Rζ, đưa

ra giá trị dòng điện đặt i q * Giá trị đặt i q * và tốc độ thưc của rotor  r được

đưa vào khối LMA, và đầu ra khối này cho giá trị dòng điện đặt tối ưu i d * để giảm thiểu tổn thất của PMSM

Về thuật toán tối thiểu tổn thất trong khối LMA, nó sẽ được bàn thảo kỹ hơn trong Chương 3 Còn vấn đề mô hình hóa mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha, phương pháp điều chế vector không gian để điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) cho bộ nghịch lưu ba pha, và thiết kế các

bộ điều khiển dòng điện và điện áp sẽ được trình bày chi tiết trong các mục dưới đây

2.2 Điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu ba pha

2.2.1 Mô hình hóa mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha

Mô hình hóa là cầu nối giữa đối tượng vật lý (bộ nghịch lưu nguồn áp

ba pha) và lý thuyết điều khiển (phương pháp thiết kế bộ điều khiển), nên nó ảnh hưởng rất lớn đến việc thiết kế bộ điều khiển Mô hình mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha với các nhánh van được mô tả bởi các khóa chuyển mạch , ,

S S S như Hình 2.2

Hình 2.2: Mô hình mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha

Điện áp trên tải được xác định như sau:

trong đó,S S Sa, b, ccũng có thể được coi là các hàm chuyển mạch (hoặc

các xung PWM), có giá trị là 1 hoặc -1, có được sau khi so sánh tín hiệu điều chế với tín hiệu sóng mang tam giác Tín hiệu điều chế hay hàm điều chế phụ thuộc vào phương pháp điều chế Còn tín hiệu sóng mang tam giác là xung tam giác cân có tần số bằng tần số PWM mong muốn và có biên độ cũng phụ thuộc vào phương pháp điều chế

2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian

Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha Hình 2.3 gồm ba cặp van bán dẫn IGBT, do đó sẽ có tám trạng thái đóng cắt các van, và mỗi trạng thái đóng cắt ta thu được một vector điện áp xác định (cả về hướng và độ lớn) Tương ứng như vậy, ta sẽ thu được tổng cộng tám vector điện áp cố định - được gọi là tám vector biên chuẩn, như liệt kê trong Bảng 2.1

Hình 2.3: Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha

Sector 3 Sector 1

Bảng 2.1: Bảng trạng thái đóng cắt van và giá trị điện áp ứng

với các vector chuẩn

Vector

chuẩn

u1 S6 , S1, S2 2Udc / 3 -Udc /3 -Udc /3 2Udc / 3 0

u2 S1, S2, S3 Udc /3 Udc /3 -2Udc / 3 2Udc /3 ( / 3)

u3 S2, S3, S4 -Udc /3 2Udc / 3 -Udc /3 2Udc / 3 ( / 3)

u4 S3, S4 , S5 -2Udc / 3 Udc /3 Udc /3 2Udc / 3 (- )

u5 S4, S5, S6 -Udc /3 -Udc /3 2Udc / 3 2Udc / 3 (- / 3)

u6 S5, S6, S1 Udc /3 -2Udc / 3 Udc /3 2Udc / 3 ( / 3)

Sector 2

Sector 5

Hình 2.4: Vị trí các vector chuẩn trên hệ tọa độ cố định -

Từ bảng 2.1 ta thấy rằng biên độ các vecter chuẩn (

đđều bằng /3 và có góc pha lệch nhau một góc Hai vector không ( ) đều có biên độ bằng không.các vector chuẩn chia không gian vector thanh sáu vector đều nhau,có góc mở là như hình 2.4 trong đó vùng thực sự có ích cho việc điều chế điện áp chỉ nằm trong hình lục giác đều, được giới hạn bởi đỉnh của sáu vector biên Tuy nhiên, nhằm mục đích giảm hài bậc cao, trong thực tế nhiều khi người ta tận dụng toàn bộ lục giác ,mà chỉ sử dụng vùng bên trong đường tròn nội tiếp lục giác trên.khi ấy,biên

ra được tín hiệu điều chế d Trình tự xác định tín hiệu điều chế d theo phương pháp điều chế vector không gian (SVM) được tiến hành theo các bước sau:

1) Xác định biên độ, góc pha và sector của vector điện áp stator cần điều chế: Biên độ và góc của vector điện áp được xác định theo các công thức sau:

(2.2) = atan2( ) (2.3)

Hình 2.5: Lưu đồ thuật toán xác định sector của vector điện áp stator Xác định sector là xác định vị trí của vector điện áp us đang nằm ở

sector nào, việc này được thực hiện nhờ vào thuật toán ở Hình 2.5, trong đó điện áp được tính dựa vào và theo công thức Clarke (1.3),

và giá trị thứ tự sector xác định được sẽ gán vào biến S ở đầu ra

2) Tính toán thời gian thực hiện các vector biên (u p , ut ) và vector không Thời gian thực hiện các vector biên và vector không được tính toán theo các công thức sau:

𝑇𝑝= √3 𝑈𝑟𝑒𝑓 𝑈𝑑𝑐 sin(𝑆 𝜋/3 − γ)

𝑇𝑡= √3 𝑈𝑟𝑒𝑓 𝑈𝑑𝑐 sin( γ − (S − 1) π /3 )

𝑇0 = 𝑇𝑐𝑦 − 𝑇𝑝 − 𝑇𝑡

3)Xác định tín hiệu điều chế theo Bảng 2.2

Bảng 2.2: Xác định tín hiệu điều chế theo phương pháp SVM

Sector 1: S  1 Sector 3: S  3 Sector 5: S  5

ba pha theo phương pháp SVM

Hình 2.6: Hàm điều chế cho mạch nghịch lưu ba pha theo phương pháp SVM

Ngoài ra phương pháp SVM, còn có phương pháp SinPWM có hàm điều chế dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp mong muốn sau khi nghịch lưu, và hàm điều chế được so sánh với sóng mang tam giác cân có biên độ từ -1 đến 1

Tuy nhiên, nếu so sánh phương pháp này với phương pháp SVM, thì phương pháp SVM có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp SinPWM Biên độ điện áp cực đại khi được điều chế theo phương pháp SVM là Udc/ 3, lớn hơn so với phương pháp SinPWM là Udc /2 Dòng điện ra khi nghịch lưu theo phương pháp SVM có tổng độ méo sóng hài (THD) nhỏ hơn so với

phương pháp SinPWM Thêm vào đó, không phải tất cả các chíp khả trình đều hỗ trợ sẵn hàm sin, nên việc tạo ra một hàm điều chế hình sin khi sử dụng phương pháp SinPWM bị hạn chế trong một số ứng dụng điều khiển

số Chính vì vậy, với các hệ truyền động đòi hỏi chất lượng cao thì SVM là phương pháp thường được sử dụng Do đó, tác giả sẽ sử dụng phương pháp SVM để tạo các xung chuyển mạch cho các van của mạch nghịch lưu nguồn

áp ba pha có mô hình đã đưa ra ở mục (2.2.1)

2.3 Thiết kế các bộ điều khiển dòng điện và tốc độ

2.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện bằng kỹ thuật hàm chuẩn bậc hai

Dựa vào (1.6), ta có thể viết lại quan hệ điện áp và dòng điện

trong hệ tọa độ d-q như sau:

K  R là hệ số khuếch đại của hàm truyền đối tượng

Hình 2.7: Mô hình động cơ trên hệ tọa độ d-q

Trên thực tế, thành phần dòng điện trên hai trục d,q có tác động ảnh hưởng

lẫn nhau thông qua thành phần e L i q q và e L i d d  e m trong (2.7) Vì vậy bộ điều khiển dòng điện cần có thêm thành phần bù xen kênh để đảm bảo hai thành phần dòng điện trên được điều khiển độc lập Hình 2.8 mô tả cấu trúc

bộ điều khiển dòng điện có bù xen kênh

Hình 2.8: Bộ điều khiển bù xen kênh dòng điện

Khi sử dụng bộ bù tách kênh, ảnh hưởng của thành phần e L i q q lên nhánh

d đã được loại bỏ, tương tự với thành phần  e m e L i d d lên nhánh q Khi đó hai nhánh d,q sẽ được điều khiển độc lập bởi từng bộ điều khiển riêng biệt là

Rid và R iq

Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện Rid và R iq được sử dụng là bộ PI, hàm

truyền tổng quát được mô tả theo công thức sau:

s s