Luận văn Thạc sĩ Khoa học Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:85

Thêm vào BST

Báo xấu

68
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là 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. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1 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
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 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
i 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
ii 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
iii 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
iv 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. 1
2 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 1.3.3. Các đặc tính của PMSM 1.3.4 Đặc tính công suất – tốc độ 1.4. Kết luận chương 1 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 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 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
4 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
5 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. Động cơ đồng bộ (Synchronous Motor ) Động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Động cơ từ trở kích từ bằng cuộn dây (PM Motor) (Reluctance Motor) Sức phản điện động Sức phản điện động hình sin hình thang (PMAC hay PMSM) (BLDC Motor) Động cơ đồng bộ nam Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt châm vĩnh cửu chìm (SPMSM) (IPMSM) 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.
6 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.
7 : Nam châm vĩnh cửu : Thép rotor : Không có nam châm vĩnh cửu Hình 1.2: Mặt cắt một số dạng rotor tiêu biểu của động cơ đồng bộ: (a) nam
8 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. Động cơ BLDC PMSM Sức phản điện động Sóng hình thang Sóng sin Dòng điện pha Sóng Sóng sin Mômen nhấp nhô vuông Cao Thấp Cảm biến vị trí Cảm biến Hall (giá Resolver (giá thành thành rẻ) đắt) Kiểu quấn dây stator Tập trung (tốn ít Phân tán (tốn nhiều đồng) đồng) Sử dụng nam châm vĩnh cửu Lớn Tương đối nhỏ Tổn thất do dòng điện xoay Lớn Tương đối nhỏ trong nam châm Độ phức tạp trong điều khiển Đơn giản Phức tạp Dải tốc độ Hẹp Rộng Giá thành bộ nghịch lưu Thấp Cao 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
9 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. 1.1.2 Động cơ đồng bộ IPM Về cấu tạo, stator của động cơ IPM bao gồm các cuộn dây được bố trí tương tự như ở các động cơ xoay chiều ba pha khác. Còn rotor của động cơ có cấu tạo khá đặc biệt và đa dạng, bao gồm lõi thép và các tấm nam châm vĩnh cửu đặt chìm trong lõi thép, tùy vào số đôi cực của động cơ mà có số cặp nam châm tương ứng. Hình 1.2 (c-e) là những cách bố trí nam châm thường 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 Lq của IPMSM lớn hơn điện cảm dọc trục Ld (Lq > Ld), và tỷ số ξ = Lq / Ld 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.
10 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 Ld ≠ 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.
11 Bảng 1.2: So sánh giữa SPMSM và IPMSM. SPMSM IPMSM Vị trí nam châm Bề mặt Chìm Định vị nam châm Dán keo, dùng dải Đặt chìm trong băng rotor Sóng hài từ trường của nam Lớn Nhỏ châm Sử dụng nam châm Lớn Tương đối nhỏ Hệ số nhấp nhô 1 >1 Mômen từ trở Không Có Mật độ công suất Thấp Cao Dải tốc độ Nhỏ Lớn 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
12 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.
13 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 is gồm ba thành phần xoay chiều ia,ib,ic trong hệ tọa độ stato r cố định a- b-c thành một vector gồm hai thành phần xoay chiều iα, iβ trong hệ tọa độ Descartes, hay còn gọi là hệ tọa độ trực giao đứng yên α-β , trong đó trục α
14 trùng với trục dây quấn pha a của động cơ. Ta thấy rằng, hai dòng điện iα, iβ 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: