BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LÊ NAM DƯƠNG
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CHIP CHO HỆ
ĐIỀU KHIỂN TỰA TỪ THÔNG ROTOR
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA TRÊN
NỀN TẢNG FPGA
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216
TÓM TẮT LUẬN ÁN
TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội – 2024
Công trình được hoàn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Vũ Hoàng Phương
2. PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn
Phản biện 1: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn
Phản biện 2: PGS.TS Trần Xuân Minh
Phản biện 3: PGS.TS Phạm Tâm Thành
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án
tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học
Bách khoa Hà Nội
Vào hồi 8h30 giờ, ngày 28 tháng 12 năm 2023
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
[1] Lê Nam Dương, Nguyễn Văn Liễn (2017) “Giải pháp chip
chuyên dụng điều khiển dòng stator cho động cơ xoay
chiều ba pha kiểu nguyên lý tựa theo từ thông rotor”,
Hội nghị triển lãm quốc tế lần thứ 4 về Điều khiển và Tự
động hóa (VCCA – 2017), Tp. Hồ Chí Minh 12 -2017
[2] Trần Văn Phương, Bùi Đăng Quang, Lê Nam Dương,
Nguyễn Quang Địch (2019) “Xây dựng hệ thống thử
nghiệm cho hệ truyền động nam châm vĩnh cửu”, Hội
nghị triển lãm quốc tế lần thứ 5 về Điều khiển và Tự động
hóa (VCCA – 2019), Hà Nội, 11-2019.
[3] Le Nam Duong, Vu Hoang Phuong, Nguyen Văn Lien, Tran
Trong Minh, (2021) “ A Modified Deadbeat Current
Controller for Field Oriented Induction Motor Drivers”, The
2021 International Conference on System Science and
Engineering (ICSSE), Ho Chi Minh, Viet Nam, pp 241-
2458 August 2021
[4]Tung Duong Do, Nam Duong Le, Vu Hoang Phuong,
Nguyen Tung Lam (2022)“Implementation of FOC
Algorithm Using FPGA for GaN-based Three Phase
Induction Motor Drive”, Bulletin of Electrical
Engineering and Informatics Vol. 11, No. 2, April 2022, pp.
636~645.
[5] Nam Duong Le, Le Quang Linh, Nguyen Tien Huy Cong,
Phuong Vu, Tung Lam Nguyen, (2023) “Field-
programmable gate array based Field Oriented Control
for PMSM Drive”, TELKOMNIKA Telecommunication
Computing Electronics and Control, Vol. 21, No. 2, April
2023, pp. 448~458.
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong suốt 20 năm qua, việc điều khiển các hệ thống điện công
nghiệp đặc biệt là các động cơ xoay chiều ba pha đã được tập trung
vào các nghiên cứu quan trọng và đã đạt được nhiều cải tiến đáng kể.
Sự phát triển này chủ yếu xuất phát từ cuộc cách mạng công nghệ
dẫn đến sự xuất hiện của các thành phần mạnh mẽ cho phép thực
hiện các thuật toán điều khiển ngày càng phức tạp hơn. Với việc cải
thiện độ tin cậy và hiệu suất của công nghệ số, điều khiển số đã
chiếm ưu thế hơn điều khiển tương tự. Thật vậy, so với điều khiển
tương tự truyền thống, điều khiển số mang lại nhiều lợi ích như tính
mềm dẻo trong việc chỉnh sửa các chương trình điều khiển, thích ứng
với các hệ thống và các điều kiện vận hành khác nhau, không bị ảnh
hưởng bởi nhiễu, và không nhạy với sự thay đổi của các tham số
thành phần. Ngày nay, điều khiển số chủ yếu được thực hiện với vi
điều khiển (µP) hoặc bộ xử lý tín hiệu số (DSP) do tính mềm dẻo của
phần mềm và chi phí thấp. Do đó các bộ điều khiển DSP được nhiều
kỹ sư coi là một giải pháp thích hợp các thành phần này có một đơn
vị logic toán học đặc biệt dành riêng cho tính toán theo thời gian
thực. Chúng cũng tích hợp các thiết bị ngoại vi như bộ chuyển đổi tín
hiệu tương tự - số (ADCs) và các timer, phù hợp với yêu cầu điều
khiển của các động cơ điện. Tuy nhiên, một số ưu điểm của điều
khiển tương tự vẫn còn rất khó khăn để thay thế, chẳng hạn như tính
chính xác, và nhất là sự chậm trễ vòng lặp phản hồi. Trên thực tế,
mặc dù các chương trình đa xử lý hoặc các bộ xử lý DSP hiệu suất
cao có thể giải quyết vấn đề này nhưng chúng vẫn còn giới hạn đối
với các cấu trúc thuật toán phức tạp và chi phí của chúng có thể vượt
quá lợi ích mà chúng mang lại.
Mảng cổng lập trình (FPGA) cũng có thể được xem như là một giải
pháp thích hợp để tăng hiệu suất của các bộ điều khiển và giảm
khoảng cách giữa điều khiển tương tự và điều khiển số. Khi kết hợp
với ADC nhanh, khả năng tính toán nhanh của FPGA cho phép tính
toán thời gian thực vài micro giây của các thuật toán điều khiển bất
2
kể sự phức tạp của chúng. Mặt khác, FPGA cho phép phát triển kiến
trúc điều khiển thích nghi tốt với các tần số lấy mẫu khác nhau. Đồng
thời chúng cho phép thực hiện các chức năng điều khiển khác nhau
được tích hợp toàn bộ hệ thống trên chip (SoC). Kết quả là, FPGA
phát triển cho các ứng dụng động cơ điện và đã được ứng dụng thành
công trong việc điều khiển bộ biến đổi độ rộng xung (PWM), các
động cơ điện và thậm chí với hệ thống điều khiển đa thiết bị. Hơn
nữa, giống như DSP, FPGA có thành phần chi phí rất thấp.
Ngày nay, việc thu nhỏ, giảm khối lượng và điện khí hóa các động
cơ hiện có dẫn đến việc sử dụng các động cơ quay rất nhanh 10-
100.000 vòng/phút. Các ứng dụng bao gồm xe điện, e-turbo, UAV,
dụng cụ phẫu thuật và máy bơm tốc độ cao. Để có độ phân giải và
điều khiển đầy đủ các dòng điện được áp dụng cho động cơ ở các tốc
độ này, tần số của PWM và cập nhật điều khiển cần phải tăng từ
khoảng 10kHz đến khoảng 200kHz.
Các van bán dẫn IGBT được sử dụng trong bộ biến tần công suất cỡ
trung bình không chuyển đổi đủ nhanh hoặc đủ hiệu quả để hỗ trợ
PWM 100kHz. Bán dẫn chuyển mạch MOSFET đã có khả năng
chuyển đổi ở các tần số này và được sử dụng trong các bộ chuyển đổi
công suất nhỏ như bộ chuyển đổi DC-DC và bộ truyền động động cơ
nhỏ, nhưng chúng không thích hợp cho các ứng dụng công suất cao.
Các thiết bị bán dẫn băng thông rộng dựa trên SiC và GaN đang
được phát triển nhanh chóng và đạt được tổn thất khi chuyển mạch
và điện trở rất thấp cũng như khả năng công suất cao hơn. Các thiết
bị này sẽ cho phéo chuyển mạch ở tần số cao, để chế tạo các bộ điều
khiển tần số cao cần thiết cho truyền động tốc độ.
Với những phân tích trên, để giải quyết các vấn đề phát sinh từ cách
tiếp cận DSP và vi điều khiển truyền thống, một phương pháp điều
khiển phần cứng mới được phát triển là rất cần thiết cho các ứng
dụng truyền động điện mật độ công suất cao.
Trong luận án này, tác giả tập trung vào nghiên cứu, thiết kế Chip
điều khiển tựa theo từ thông rotor cho động cơ xoay chiều ba pha
dựa trên FPGA ứng dụng cho động cơ có mật độ công suất cao.
