Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
279
ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO FCS-MPC CHO BIẾN TẦN NPC 5 MỨC
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IPM CỦA XE ĐIỆN
Trần Hùng Cường
Trường Đại học Thủy lợi, email: Cuongth@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Gần đây, bộ biến đổi điện tử công suất đã
đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao chất
lượng điện áp đầu ra cung cấp cho động cơ
kéo của xe điện. Biến tần đa cấp NPC (Point
Clamped neutral Inverter) là biến tần tiềm
năng để cấp điện cho động cơ IMP của xe
điện để có những điều kiện hoạt động tốt [1].
Bởi vì nó có thể cung cấp nhiều mức điện áp
xoay chiều đầu ra. Điều này làm giảm đáng kể
điện áp đặt lên các van bán dẫn trong quá trình
hoạt động. Bài báo nghiên cứu phương pháp
FCS-MPC (Điều khiển dự báo hữu hạn các
trạng thái đóng cắt) để áp dụng cho biến tần
NPC [2]. Mục đích là để kiểm soát đồng thời
nhiều thông số, chẳng hạn như cân bằng dòng
điện đầu ra và điện áp tụ điện. Phương pháp
này sử dụng các mô hình thời gian rời rạc của
bộ chuyển đổi và tải để dự đoán hành vi trong
tương lai của dòng điện tải và điện áp tụ điện
liên kết DC cho tất cả các trạng thái chuyển
mạch có thể có. Nghiên cứu này sử dụng mô
hình dự đoán hai bước để cải thiện khả năng
điều chỉnh dòng tải nhằm cải thiện hiệu suất
của bộ chuyển đổi nhằm tạo ra chất lượng
điện áp cung cấp cho IPM.
2. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH
BIẾN TẦN NPC CẤP ĐIỆN CHO IPMSM
Cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển của
hệ thống được thể hiện như hình 1. Mô hình
hệ thống gồm Biến tần NPC 5 mức điện áp,
NPC được lấy điện từ nguồn một chiều DC
để tạo ra dòng điện xoay chiều cấp điện cho
động cơ IPM, hệ thống điều khiển cho mô
hình bao gồm điều khiển FOC để điều khiển
tốc độ cho động cơ theo mong muốn và điều
khiển dự báo FCS-MPC để tạo ra tổ hợp
xung đóng cắt làm việc cho NPC nhằm mục
đích tạo ra điện áp 5 mức phía xoay chiều và
tạo ra dòng điện có chất lượng tốt cung cấp
hoạt động cho động cơ IPM.
R
f
L
f
R
n
L
n
Bộ lọc
IPM
i
c
i
b
i
a
Bộ biến đổi
NPC
S
k
FOC
IE
ω
αβ/abc
v
α
v
β
Bộ điều khiển FCS-
MPC theo (5) và (6)
Tối ưu hàm mục
tiêu (4)
Ngoại suy
theo công
thức (2)
Hình 1. Cấu trúc điều khiển FCS-MPC
cho biến tần NPC kết hợp với thuật toán điều
khiển FOC cung cấp năng lượng cho IMPSM
2.1. Mô hình hóa động cơ IPM
Động cơ IPM với phương pháp điều khiển
FOC được xây dựng dựa trên hệ tọa độ dq.
Với độ tự cảm Ld khác với Lq, mômen động
cơ bao gồm một thành phần bổ sung và
mômen từ trở. Các phương trình toán học mô
tả động cơ như hệ phương trình (1).
11
11
3
2





sq
sd
sd s sq sd
sd sd sd
s
qsq p
ssd sq sqs
s
dsqsq sq
sd sd sd p
sq sq sq
eppsqsdsqsdsq
eL
p
L
di iiU
dt T L L
di L iiU
dt L T L L
Li
Li
Tp(iii(LL))
Jd
TT pdt


(1)
Trong đó Usd, Usq, isd, isq, ψsd, ψsq là điện áp,
dòng điện và từ thông của stato trên trục d và
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
280
q; Rs, Lsd và Lsq là điện trở stato, độ tự cảm
stato trên dq, ωs là vận tốc góc của động cơ, ψp
là từ thông rôto, pp là số cặp cực của động cơ;
Te, TL là mômen ra của động cơ, mômen tải; J
là mômen quán tính của động cơ, là hằng số
thời gian trục d của mạch stato và là hằng số
thời gian trục q của stato. Khi xe chuyển động,
lực cản gồm hai thành phần: lực cản của
không khí và ma sát của xe với không khí.
2.2. Mô hình hóa biến tần NPC
Bộ biến đổi NPC trong nghiên cứu này là
bộ biến tần ba pha, có cấu trúc bao gồm bốn
chân và năm cấp điện áp, bộ lọc đầu ra được
minh họa trên hình 1. Cấu trúc này khác với
bộ biến tần NPC cơ bản là có thêm một chân
bổ sung được kết nối với điểm trung tính của
tải. Biến tần bao gồm 16 van bán dẫn và 8 điốt
kẹp với các trạng thái chuyển mạch tương ứng
với điện áp đầu cực của biến tần như bảng 1.
Bảng 1. Điện áp đầu ra của NPC ứng với
trạng thái chuyển mạch van (x = a, b, c, n)
Sx S
1x S
2x S
3x S
4x v
xN
1 1 1 0 0 vc1 + vc2
0 0 1 1 0 vc2
-1 0 0 1 1 0
Theo bảng trên, các trạng thái chuyển mạch
có thể được tính là 34 (81) trạng thái. Điện áp
phía AC của biến tần có thể được biểu thị độc
lập với dòng trung tính của tải như (2).
 
 

 
 
 
an a a
bn eq b eq b
cn c c
vi i
d
vRiL i
dt
vi i
(2)
Ở đây:
00
00;
00








fna
eq f n a
fna
RRR
RRRR
R
RR






fn n n
eq n f n n
nnfn
LL L L
LLLLL
L
LLL
FCS-MPC được đề xuất cho NPC để điều
chỉnh dòng tải và cân bằng điện áp của tụ
điện. Ưu điểm của phương pháp này là không
cần sử dụng bộ điều khiển PI và khâu điều
chế. Khi tiếp tục dự đoán ở bước 2 (N=2), số
lượng trạng thái chuyển đổi sẽ tăng lên. Quá
trình này sẽ yêu cầu bộ điều khiển tính toán
nhiều hơn. Tuy nhiên, nó sẽ hoạt động tốt
hơn dự đoán một bước. Để giảm thiểu việc
tính toán các bước chuyển mạch của biến tần
tại thời điểm k+2, trong bài viết này, thuật
toán sẽ chọn trạng thái tốt nhất ở bước dự
đoán k và loại bỏ các trạng thái không cần
thiết để thực hiện các bước dự đoán k+2. Khi
đó hàm mục tiêu sẽ được chọn, quy trình
được thể hiện trong Hình 4.
T
s
T
s
x
x
ref
(k)
t(k) t(k+1) t(k+2)
t
x
1
(k+1)
x
3
(k+1)
x
2
(k+1)
x
2
(k+2)
x
1
(k+2)
x
3
(k+2)
x(k)
x
4
(k+1)
x
4
(k+2)
x
ref
(k+2)
Hình 3. Mô tả trạng thái dự đoán
tín hiệu hai bước của FCS-MPC
Tính toán hàm mục tiêu
J
k+2
theo công thức (4)
No
Yes
Yes
No
Chọn trạng thái đóng cắt tối ưu
Thực hiện đóng mở van S
k
Đo giá trị
v
C1
(k), v
C2
(k),
i
a,b,c
(k)
Tính toán i
a,b,c
(k+2), v
C1
(k+2),
v
C1
(k+2) btheo công thức (5), (6) )
cho các trạng thái S
x
(k)
i
a,b,c_ref
(k)
J
k+2
< J
min
?
S
xj
= S
xj
(k) và J
min
= J
k+2
J
min
= ∞
K = 1÷81
v
C1,2_ref
(k)
K = 81 ?
Hình 4. Thuật toán của FCS-MPC cho NPC
Hàm mục tiêu được xác định có hai mục
tiêu: giảm thiểu sai số giữa dòng tải dự báo ik+2
và giá trị đặt của nó tại thời điểm k+2 (i*k+2);
và cân bằng điện áp của tụ điện DC-link. Hai
mục tiêu này được thể hiện dưới dạng (15).
22
22 2 22
12




k*kk k kk
ix x x vc dc c c
Jii;J vv
(3)
Ở đây: x = a,b,c; λdc là trọng số và được điều
chỉnh theo hiệu suất mong muốn. Từ (3), có
thể suy ra hàm mục tiêu của hệ thống như (4).
222


kkk
ix vc
J
JJ (4)
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
281
Dòng điện tải dự báo tại k+2 như (5).
21
21
21










kk k
aa an
kk k
bb bn
kk k
cc cn
iiv
iPiHv
iiv
(5)
Mô hình dự báo điện áp tụ tại k+2 như (6).
21 2
11 1
1
21 2
22 2
2




kk k
s
cc dc
kk k
s
cc dc
T
vv i
C
T
vv i
C
(6)
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Bảng 2. Thông số động cơ IPM
Thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị
Điện trở Stator Rs 6.5e-3 Ohm
Momen quán tính J 0.09 kg.m2
Số cặp cực pp 4
Điện áp DC Vdc 550 V
Bảng 3. Thông số ô tô điện và môi trường
Thông số Giá trị Đơn vị
Trọng lượng xe và tải 2018 kg
Bán kính bánh xe 0.3 m
Tốc độ tối đa 130 km/h
Diện tích xe 2.3 m2
Mật độ không khí 1.25 kg/m3
Hệ số lực cản lăn 0.02
Các thông số mô phỏng của xe điện được
trình bày trong bảng 2 và bảng 3. Các điều
kiện thử nghiệm dựa trên chu trình đô thị tiêu
chuẩn của Châu Âu ECE.
‐500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Speed (rpm)
020 40 60 80 100 12 0 140 160 180 200
Times
s
Hình 5. Phản hồi tốc độ
Hình 5 thể hiện đáp ứng của đường cong
tốc độ đặt dựa trên chu trình đô thị tiêu chuẩn
của ECE Châu Âu trùng khớp với đường
cong tốc độ thực tế với ba chế độ vận hành:
Tăng tốc, giữ và phanh.
PhaseA
PhaseB
PhaseC
11.2 11.511.4
Times
(
s
)
Voltage(V)
600
0
‐600
300
‐300
600
0
‐600
300
‐300
600
0
‐600
300
‐300
11.3
Hình 6. Giá trị điện áp đầu ra của NPC
11.2 11.5
11.3 11.4
Times (s)
275
285
295
275
245
255
265
235
Voltage (V)
v
C1
v
C2
Hình 7. Điện áp trên tụ C1 và C2 phía DC-link
Hình 6 chứng minh rằng điện áp đầu ra có
dạng năm mức và ổn định ở cả 3 pha. Điện áp
trên tụ vc1 và vc2 như hình 7 luôn giữ giá trị
định mức 275V, tương ứng với một nửa điện
áp. DC-bus VDC, biên độ dao động không
quá 5%, đây là phạm vi chấp nhận được.
i
a
i
b
i
b_ref
i
a_ref
i
c
i
c_ref
11.2 11.25
Times
(
s
)
11.3
300
200
100
0
‐100
‐200
Current (A)
‐400
400
‐300
Hình 8. Dòng điện ba pha trên tải thay đổi
Khi thử nghiệm, dòng tải được đặt trong dải
định mức là 300A. Để khảo sát đáp ứng tức
thời của dòng tải, quá trình thay đổi giá trị tải
tương ứng với dòng tải được đánh giá như hình
8. Kết quả cho thấy bộ điều khiển dự đoán đáp
ứng nhanh với dòng tải thay đổi. Với sự thay
đổi tải và bù lỗi, giá trị điện áp trên tụ điện
không dao động trong khoảng thời gian này.
4. KẾT LUẬN
Bài báo này đề xuất chiến lược điều khiển
FCS-MPC với phạm vi dự đoán hai bước để
điều khiển biến tần NPC áp dụng điều khiển
động cơ. Quá trình điều khiển FCS-MPC cho
2 bước đã rút gọn quá trình tính toán bộ điều
khiển, giảm tần số chuyển mạch van xuống
mức chấp nhận được. Kết quả thuật toán được
đánh giá bằng hàm chi phí ở giá trị nhỏ nhất
tương ứng với giá trị dòng điện tải có dạng sin
và điện áp của tụ DC-Link được cân bằng.
Phương pháp đề xuất của bài báo là một giải
pháp tốt để điều khiển hoạt động của ô tô điện.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] C. Laoufi, Z. Sadoune, “New model of
electric traction drive based sliding mode
controller in field-oriented control of
induction motor,” International Journal of
Power Electronics and Drive System, Vol.
11, No. 1, March 2020, pp. 242~250.