intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Xây dựng mô hình điều khiển hướng trường (FOC) cho động cơ PMSM trong phần mềm Psim

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

40
lượt xem
3
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của nghiên cứu này là mô hình hóa điều khiển dựa trên PSIM cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được cấp nguồn bởi biến tần, trình bày thuật toán điều khiển được sử dụng cho PMSM là điều khiển hướng trường (FOC).

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Xây dựng mô hình điều khiển hướng trường (FOC) cho động cơ PMSM trong phần mềm Psim

  1. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Xây dựng mô hình điều khiển hƣớng trƣờng (FOC) cho động cơ PMSM trong phần mềm Psim Đỗ Chí Thành*, Bùi Thị Thêm Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh *E-mail: dochithanhtdh.qui@gmail.com Tóm tắt: Mục đích của nghiên cứu này là mô hình hóa điều khiển dựa trên PSIM cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được cấp nguồn bởi biến tần, trình bày thuật toán điều khiển được sử dụng cho PMSM là điều khiển hướng trường (FOC). Nội dung bài viết bao gồm: lý thuyết về thuật toán điều khiển và mô hình dựa trên PSIM để phân tích hoạt động của phương pháp điều khiển FOC; mô hình cho cơ hội điều chỉnh bộ điều khiển và xác minh nó bằng các mô phỏng. Khi mô phỏng bộ điều khiển với PMSM, tất cả các tốc độ tham chiếu đều đạt được với độ lệch tối đa ± 0’42%. Sử dụng PSIM được chứng minh là một giải pháp thiết kế bộ điều khiển động cơ trực quan và mang tính học thuật cao. Từ khoá: Động cơ PMSM, mô hình Psim, điều khiển FOC, điều khiển V/f, điều khiển PMSM dùng FOC. 1. GIỚI THIỆU Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motors- PMSM) đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyền động điện trong lực kéo, người máy và ô tô do những tiến bộ và sự giảm giá của vật liệu nam châm vĩnh cửu (permanent magnet - PM)[1]. Hơn nữa, nó có hiệu quả trong các ứng dụng năng lượng tái tạo như tuabin gió[2] và xe chạy bằng pin nhiên liệu[3]. PMSM đang bắt đầu xuất hiện trong Xe điện hoàn toàn (FEV). Hoa Kỳ Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) báo cáo rằng Tesla Model 3 đang sử dụng PMSM thay vì động cơ cảm ứng[4]. Một số lợi thế của những thay đổi như vậy trong FEV bao gồm phạm vi hiệu quả cao hơn, mô-men xoắn cao và công suất trên mỗi khối lượng, thiết kế nhỏ gọn và chi phí bảo trì thấp[5]. Nói chung, công nghệ PM của động cơ tạo ra mô - men xoắn trơn tru, điều này làm cho nó phù hợp trong các ứng dụng hiệu suất cao[6]. Điện tử công suất đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất của động cơ điện. Những tiến bộ trong thiết bị bán dẫn công suất, cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi, phương pháp mô phỏng và công nghệ điều khiển đã dẫn đến đáng kể tiến bộ trong lĩnh vực điện tử công suất trong những năm gần đây[7]. Công nghệ điều khiển đóng một vai trò đặc biệt lớn liên quan đến động cơ AC. Điều khiển vectơ hoặc Điều khiển hướng trường (FOC) là một trong những cải tiến thiết yếu trong động cơ AC điều này làm cho nó có thể nâng cao hiệu suất điều khiển[8]. Theo Bose, các ứng dụng như máy công cụ, servo, rô bốt và bộ truyền động vận tải đang sử dụng phương pháp điều khiển. Phương pháp điều khiển FOC sẽ được phổ cập cho các động cơ điện trong tương lai[7]. 2. TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (PMSM) 2.1. Cấu tạo của động cơ PMSM Hình 1 (a) cho thấy, mặt cắt ngang của PMSM và minh họa rôto, stato, nam châm vĩnh cửu và cuộn dây stato. Nam châm vĩnh cửu và cuộn dây lần lượt nằm trên rotor và stato. Hình minh họa trong hình 1 (b) cho thấy một PMSM hai cực. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 141
  2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH a) Các thành phần chính b) Các cuộn dây và trục từ tính Hình 1. Hình minh họa PMSM Dựa vào đặc điểm và cấu tạo của rotor, các động cơ đồng bộ (Synchronous Motor – SM) có thể được phân loại như hình 2. Hình 2. Các loại động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha Trong hình 2, 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[12]. 2.2. Phƣơng pháp điều khiển PMSM Điều khiển V/f và FOC là các kỹ thuật chính được áp dụng để điều khiển tốc độ trong PMSM [13]. Phần này trình bày một giải thích ngắn gọn và thảo luận về hai phương pháp. 2.2.1 Điều khiển V/f Hình 3 cho thấy, sơ đồ hệ thống của điều khiển V/f = const. Mục đích chính của kỹ thuật này là điều khiển tần số và điện áp của PMSM đồng thời. Tần số đầu vào sẽ điều chỉnh tốc độ. Tuy nhiên, sự thay đổi của tần số dẫn đến sự thay đổi trở kháng, có thể dẫn đến giảm hoặc tăng của dòng điện và làm hỏng PMSM. Điều chỉnh đồng thời hiệu điện thế và tần số để duy trì một tỷ lệ không đổi tránh được sự tăng hoặc giảm dòng[10,11]. 142 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
  3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình 3. Hệ thống điều khiển V/f Tỉ số giữa điện áp và tần số được biểu thị ở (1): V k Constant (1) f Trong đó: V - điện áp đầu vào của PMSM [V]; F - tần số đầu vào của PMSM [Hz]; V k - tỉ số điện áp trên tần số [ ]. Hz 2.2.2. Điều khiển theo hướng trường Hình 4. Cấu trúc của hệ thống điều khiển PMSM dùng FOC Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control-FOC) trong điều khiển động cơ PMSM được trình bày trong hình 4. Hình 4 cho thấy, phương pháp điều khiển FOC là một phương pháp điều khiển phức tạp hơn với cơ sở toán học hơn cách tiếp cận hơn so với điều khiển V/f = const. Bộ điều khiển sử dụng các kỹ thuật phản hồi và chuyển đổi hiện tại để điều khiển mô-men xoắn của PMSM[11]. Bộ điều khiển tốc độ tạo ra mô-men xoắn Te* được gửi đến bộ điều khiển mô-men xoắn. Bộ điều khiển mô-men xoắn sử dụng đầu vào của nó để tạo ra tín hiệu điện áp đầu ra Vqs và Vds được xử lý thêm trong PWM s* s* và VSI. Kết quả là, các tín hiệu đầu vào PMSM là một dòng điện ba pha với tần số mong muốn. Dòng pha đo được ias và ibs là phản hồi cho bộ điều khiển mô-men xoắn. Ngoài ra, vị trí góc của rôto θr được đo và thực hiện trong bộ điều khiển mômen. Phản hồi tốc độ động cơ ωr là đạo hàm của vị trí góc đo được. Tốc độ được so sánh với tốc độ mong muốn ωr* và được gửi vào bộ điều khiển tốc độ. Bộ điều khiển mô-men xoắn bao gồm một bộ điều khiển dòng điện và các phép biến đổi hệ quy chiếu[9]. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 143
  4. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Mỗi phương pháp điều khiển có lĩnh vực ứng dụng ưu tiên của nó. Tính đơn giản, chi phí thấp và tính ổn định của phương pháp V/f = const khiến nó trở nên hấp dẫn trong ngành đối với các ứng dụng hiệu suất thấp như máy bơm và quạt. Ngược lại với điều khiển V/f = const, FOC có thể điều khiển truyền động điện với hành vi động do điều khiển dòng điện. Do đó, động cơ trong các ứng dụng hiệu suất cao thường sử dụng phương pháp FOC[10]. 2.3. Bộ điều khiển động cơ Hình 5 cho thấy, tổng quan về các bộ điều khiển được thiết kế trong PSIM. Phần này mô tả các nguyên tắc của FOC và thiết kế bộ điều khiển mô phỏng. Hình 5. Bộ điều khiển trong PSIM Đo tốc độ và dòng điện đầu vào của động cơ (A) giúp ta có thể điều khiển động cơ. Phép biến đổi Clarke và Park (B) làm biến đổi hệ quy chiếu của dòng điện, (C) chuyển tốc độ động cơ thành góc điện, (D) chuyển đổi tốc độ động cơ tham chiếu thành dòng điện tương đương. Bộ điều khiển PI trong (E) điều chỉnh dòng điện, (F) tạo ra một tín hiệu PWM từ dòng điện giả định và gửi nó vào biến tần. Do đó điều chỉnh tần số đầu vào của động cơ PMSM.  Đo dữ liệu động cơ Hình 6 cho thấy, các cảm biến và khối khuếch đại được sử dụng để lấy tốc độ quay của động cơ. Kết quả có được tốc độ ở cả hai giá trị vòng/phút và rad/s. Hình 6. Đo tốc độ động cơ WSEN1 khối đo tốc độ động cơ theo rad/s. Sau đó, độ lợi P2 chuyển đổi tốc độ động cơ từ rad/s sang vòng/phut. Mối tương quan giữa vòng / phút và rad/s được chỉ ra trong (2). 2π.n ωm (2) 60 Các cảm biến Isen10 và Isen11 đo dòng điện ở hai trong ba pha ở đầu vào của động cơ. Bộ điều khiển sẽ tính toán dòng của pha còn lại. 144 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
  5. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH  Chuyển đổi khung tham chiếu Các khối biến đổi trong hình 7 giúp điều khiển các tín hiệu hiện tại Isa và Isb dễ dàng hơn. Phép biến đổi Clarke và phép biến đổi Park sắp xếp các hệ quy chiếu. Bộ điều khiển PI trong thiết kế chỉ cần xem xét các giá trị hiện tại Iq và Id do các phép biến đổi. Hình 7. Các khối chuyển đổi Như thể hiện trong (3), phép biến đổi Clarke biến hệ quy chiếu ba pha thành hệ quy chiếu hai pha. Hơn nữa, phép biến đổi Park thu được một hệ quy chiếu quay. Việc thực hiện theta góc rôto vào khối biến đổi Park giúp cho việc căn chỉnh các hệ quy chiếu. Các khối lấy mẫu fsam điều chỉnh tần số mẫu. Ia Iα Id Ib Iβ (3) Iq Ic 0 Biểu thức toán học của phép biến đổi Clarke được trình bày trong (4). 1 0 Iα Ia 1 2 . (4) Iβ Ib 3 3 Trong đó: I α , Iβ - dòng điện trên hệ quy chiếu trên trục α,β [A] Ia , I b - dòng điện quy chiếu trên trục a, b, c [A] Biểu thức toán học của phép biến đổi Park được thể hiện trong (5). Id cos θ sin θ Iα . (5) Iq sin θ cos θ Iβ Trong đó: θ - vị trí từ thông của rôto [rad].  Xác định góc theta Hình 8. Xác định góc theta Mô hình thể hiện trong hình 8 chuyển đổi tốc độ động cơ Wm thành góc điện tương ứng của nó. Góc điện là cần thiết cho phép biến đổi Park và cho phép biến đổi Park nghịch đảo. P1 chuyển tốc độ cơ thành tốc độ điện. P là số cực trong PMSM. Khối tích phân và khối khuếch đại P1 thu được góc điện như trong (6). Hơn nữa, fsam_w đặt tần số lấy mẫu mới cho tốc độ Wm_sim. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 145
  6. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH θ e ωe dt (6) Trong đó: θ e - góc lệch pha giữa Id , Iα [rad] ωe - tốc độ góc của rôto [rad/s]  Bộ điều chỉnh tốc độ Hình 9 cho thấy, các tín hiệu đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển tốc độ. Khối hằng số C3 chuyển đổi tốc độ quy chiếu từ vòng/phút sang rad/s. Đầu đo điện áp Wm_ref đo tốc độ mong muốn trong đơn vị được chuyển đổi. Khối tổng so sánh tốc độ động cơ đã chuyển đổi với tốc độ động cơ thực (được lấy mẫu lại) Wm_sim. Khối Bộ điều khiển tốc độ chuyển đổi tín hiệu tốc độ động cơ thành dòng điện tương đương Iq_ref (được lấy mẫu về cùng tần số với Iq). Hình 9: Tốc độ tham chiếu Bộ điều khiển tốc độ trong hình 10 chuyển đổi tốc độ tham chiếu thành dòng điện tương đương của nó. Độ lợi trong bộ điều khiển PI S1 chuyển tín hiệu lỗi thành mô-men xoắn. Ngoài ra, nó giới hạn mô-men xoắn đầu ra ở giá trị định mức mômen của động cơ. Hình 10. Bộ điều khiển tốc độ Chia công suất cực đại C1 với tốc độ thực của động cơ Wm thì thu được mômen cực đại. Mối tương quan giữa mômen điện từ, công suất động cơ cực đại và tốc độ được thể hiện trong (7). Pem,max Tem [Nm] (7) ωm Bộ so sánh COMP1 so sánh mô-men xoắn giới hạn (được đánh dấu bằng 1) và mô- men xoắn thực tế (được đánh dấu bằng 2). Chức năng hàm MUX, MUX21 sẽ chỉ gửi một trong hai tín hiệu đầu vào qua tín hiệu đầu ra của MUX21 phụ thuộc vào tín hiệu đầu ra của bộ so sánh. Nếu 1 > 2 thì tín hiệu 2 sẽ đi qua. Nếu 2 > 1 thì tín hiệu 1 sẽ đi qua hàm MUX. Nói cách khác, tín hiệu có giá trị thấp nhất sẽ là tín hiệu đầu ra của MUX21. Độ lợi P1 chuyển đổi tín hiệu đầu ra mô-men xoắn của MUX21 thành tín hiệu hiện tại, dựa trên (8). Tín hiệu sau đó được giới hạn bởi LIM1 (dòng điện tối đa) và được gửi dưới dạng tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển tốc độ (I_ref trong hình 9). 146 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
  7. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Tem Is (8) kT Trong đó: Is - Độ lớn của vectơ không gian dòng điện stato [A] Tem - Mômen điện từ [Nm] k T -Hằng số mô-men xoắn [Nm / A]  Bộ điều khiển dòng và các phép biến đổi nghịch đảo Hình 11 cho thấy, bộ điều khiển dòng bao gồm hai bộ điều khiển PI. Điều này làm cho nó có thể kiểm soát tốc độ của động cơ bằng cách điều khiển Iq. Idref và Iqref được tính bằng giá trị đo được Id và Iq tương ứng. Bộ điều khiển PI S2 và S3 điều chỉnh tín hiệu. Hình 11. Bộ điều khiển dòng, nghạch đảo Park, và SV PWM Các tín hiệu đã xử lý và góc điện theta được gửi vào phép biến đổi Park nghịch đảo DQ_AB1. Hàm biến đổi được thể hiện trong (9). Sau đó biến đổi vectơ không gian PWM (SV PWM) tín hiệu đầu vào α/β trực giao hai pha trở lại tín hiệu ba pha. Iα cos θ sin θ Id . (9) Iβ sin θ cos θ Iq  Bộ điều khiển đầu ra Hình 12 cho thấy, các tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Bộ xử lý so sánh COMP 1 − COMP 3. Tín hiệu xung V TRI1 đang gửi tín hiệu sóng tam giác với tần số chuyển mạch fsw, để so sánh tín hiệu với tín hiệu ba pha. Để tạo ra các tín hiệu xung Q1, Q3 và Q5 ngoài các tín hiệu nghịch đảo Q2, Q4 và Q6. Hình 12. Tín hiệu điều khiển đầu ra Hình 13 cho thấy, tín hiệu Q1 của bộ điều chế xung PWM có đặc điểm như sau. Tín hiệu cao sẽ cho xung rộng, tín hiệu thấp sẽ tạo ra xung hẹp, các tín hiệu này tác động (Q1-Q6) sẽ xác định tần số chuyển đổi của IGBT. Thông qua tần số chuyển đổi của các IGBT trong biến tần sẽ quyết định tốc độ của động cơ PMSM. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 147
  8. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình 13. Tần số chuyển mạch của IGBT 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Thông số của động cơ PMSM của hãng ABB (BSM100N-2250) - Điện áp định mức của động cơ Uđm = 380 [V]; - Công suất định mức Pđm = 2,332 [ kW]; - Mô men xoắn định mức Tm = 9,18 [ Nm]; - Dòng điện định mức Im = 3,59 [A]; - Tốc độ định mức ωm = 254,05 [rad/s]; ωmax = 260.65 [rad/s]. 3.2. Kết quả của mô hình điều khiển PMSM ứng dụng trong Psim Hình 14. Tốc độ động cơ ở 260,65 rad/s Hình 15. Tốc độ động cơ 83,78 rad/s 148 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
  9. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình 16. Tốc độ động cơ 167,55 rad/s 4. THẢO LUẬN VỀ MÔ HÌNH HÓA Các kết quả từ mô phỏng trong phần mềm Psim động cơ PMSM cho thấy rằng động cơ đạt tốc độ tham chiếu của nó trong tất cả các các trường hợp. Trường hợp 1 và 3 (hình 14,16) cho thấy, tốc độ thực tế động cơ (đường màu đỏ) bám theo tốc độ đặt và có biên độ dao động nhỏ. Tuy nhiên, trường hợp 2 (hình 15) cho thấy sự sai lệch cao hơn. Kết quả chỉ ra rằng, phần trăm lỗi giảm khi tốc độ đạt đến giá trị định mức của nó. Điều này đặc biệt rõ ràng trong trường hợp 2, trong đó độ lệch của tốc độ thấp nhất và cao nhất chênh lệch nhau 0,265%. Bộ điều khiển đã được điều chỉnh chính xác nhất có thể ở tốc độ định mức. Kết quả là độ sai lệch lệch cao hơn đã được quan sát thấy khi chạy động cơ ở tốc độ thấp hơn. 5. KẾT LUẬN Mô hình mô phỏng dựa trên PSIM được trình bày thành hai phần. Phần thứ nhất là xây dựng nguyên tắc điều khiển FOC, phần thứ hai là thuật toán điều khiển tốc độ của động cơ. Tạo mô hình giới thiệu cơ hội phân tích hoạt động của toàn bộ bộ biến tần bằng cách mô phỏng. Việc ứng dụng phần mềm mô phỏng Psim ta có thể dễ ràng phân tích đánh giá lựa chon bộ điều khiển cho phù hợp với động cơ PMSM. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. J. F. Gieras, Permanent magnet motor technology: design and applications. CRC press, 2002, pp. iii–16. [2]. W. Li, C. Abbey, and G. Joós, ―Control and performance of wind turbine generators based on permanent magnet synchronous machines feeding a diode rectifier,‖ in IEEE Power Electronics Specialists Conference, vol. 2, 2006, pp. 1–6. [3]. Z. Jian, W. Xuhui, and Z. Lili, ―Optimal system efficiency operation of dual pmsm motor drive for fuel cell vehicles propulsion,‖ in Power Electronics and Motion Control Conference, 2009. IPEMC’09. IEEE 6th International, IEEE, 2009, pp. 1889–1892. [4]. Certification summary information report, JTSLV00.0L13-002, epa certificate tesla model 3, epa, Dec.2017. [5]. M. T. Elsayed, O. A. Mahgoub, and S. A. Zaid, ―Simulation study of a new approach for field weakening control of pmsm,‖ Journal of power electronics, vol. 12, no. 1, pp. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 149
  10. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH [6]. N. Mohan, Electric Machines and Drives, 1st ed. 2012, isbn: 9781118074817. [7]. B. K. Bose, ―Energy, environment, and advances in power electronics,‖ IEEE Transactions on Powe Electronics, vol. 15, no. 4, pp. 688–701, 2000. [8]. J. Bocker and S. Mathapati, ―State of the art of induction motor control,‖ in Electric Machines &Drives Conference, 2007. IEMDC’07. IEEE International, IEEE, vol. 2, 2007, pp. 1459–1464. [9]. Nam, K.H. (2010), AC motor control and electric vehicle applications, CRC Press, LLC, New York. [10]. G. Kohlrusz and D. Fodor, ―Comparison of scalar and vector control strategies of induction motors,‖ [11]. D. Jee and N. Patel, ―V/f control of induction motor drive,‖ PhD thesis, 201 Hungarian Journal of Industry and Chemistry, vol. 39, no. 2, pp. 265–270, 2011. [12].https://dlib.hust.edu.vn/ViewOnline?bitstid=76a02c7a-4bab-4a6d-820e-a900c99&type=7 Building PMSM motor control model (FOC) in Psim software Chi Thanh Do, Thi Them Bui Quảng Ninh University of Industry Abstract: The aim of this study is to model a PSIM-based control for an inverter-fed Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM). Show that the control algorithm used for PMSM is Field Oriented Control (FOC). The content includes theory of control algorithm and model based on PSIM to analyze controller operation. The model gives the opportunity to tune the controller and verify it with simulations. When simulating the controller with PMSM, all reference speeds were obtained with a maximum deviation of ±0:42%. Using PSIM is proven to be an intuitive and highly academic motor controller design solution Keywords: PMSM motor, psim model, FOC control, v/f control, PMSM control using FOC 150 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2