Chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cho xe điện

Chuyên khảo phân tích Control strategies of permanent magnet synchronous motor drive for electric vehicles, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Chiranjit Sain
• Người hướng dẫn: Dr Dipankar Deb, PhD
• Trường học: Institute of Infrastructure, Technology, Research and Management
• Chuyên ngành: Electrical Engineering
• Đề tài: Chiến Lược Điều Khiển Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu Cho Xe Điện
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ahmedabad

Mục lục chi tiết

• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Background and Problem Formulation
• 1.2. Review of Mathematical Modelling and Open-Loop-Based Control Strategy of a Self-Controlled PMSM Drive
• 1.3. Review of Closed-Loop-Based Control Strategy of a PMSM Drive
• 1.4. Review of Fuzzy Logic-Controlled PWM-Operated PMSM Drive
• 1.5. Development of Different Control Strategies of a PMSM Drive
• 1.6. Solar-Powered PMSM Drive Smart Electric Vehicle for Sustainable Development
• 1.7. Smart Technology-Based Solar-Powered Electric Vehicle
• 1.8. Industrial Linkage in Smart Electric Vehicles
• 1.9. Outline of the Thesis
• 2. CHAPTER 2: MATHEMATICAL MODELLING AND DYNAMIC PERFORMANCE EVALUATION OF A SELF-CONTROLLED PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR DRIVE
• 2.1. Modelling of PWM-Operated Three-Phase Voltage Source Inverter Topology
• 2.2. Transformation of abc-dq0 Matrix in Rotor Reference Frame
• 2.3. Modelling of PMSM Machine
• 2.4. Concept of Sensor Angle and Rotor Position Estimation
• 2.5. Simulation Results and Discussion
• 2.6. Performance Indices of a PMSM Drive without Sensor Angle Optimization
• 2.7. Comparative Performance Analysis with Sensor Angle-Based Optimization (No-Load Operation)
• 2.8. Comparative Performance Analysis with Sensor Angle-Based Optimization (On-Load Operation)
• 2.9. Some Case Studies under Various Operating Conditions
• 2.10. Illustration of Dynamic Behaviour of a PMSM Drive at Various DC Link Voltages
• 2.11. Illustration of Dynamic Behaviour of a PMSM Drive at Various Load Torques
• 2.12. Experimental Results and Discussions
• 2.13. Chapter Summary
• 3. CHAPTER 3: DESIGN AND COMPARATIVE ANALYSIS OF CLOSED-LOOP CONTROL STRATEGY IN A SIMPLIFIED PMSM DRIVE USING VARIOUS CLASSICAL AND FUZZY LOGIC CONTROLLERS
• 3.1. Establishment of Mathematical Model of a Simplified Closed-Loop PMSM Drive
• 3.2. Performance Evaluation of a Simplified PMSM Drive Using Proportional Integral Controller
• 3.3. Performance Evaluation of Proposed Simplified Closed-Loop PMSM Drive Using Lead Speed Compensator
• 3.4. Performance Evaluation of Proposed Simplified Closed-Loop PMSM Drive Using Lead-Lag Speed Compensator
• 3.5. Investigation of a Closed-Loop PMSM Drive Employing PID Controller
• 3.6. Discussion and Comparative Performance Evaluation between a PI- and PID-Controlled Simplified PMSM Drive
• 3.7. Observation of Various Case Studies
• 3.8. Development of Fuzzy Logic Controller for Simplified Closed-Loop Model of a Simplified PMSM Drive
• 3.9. Development of Fuzzy Logic Controller Rule Base
• 3.10. Dynamic Performance Evaluation of Fuzzy Logic Speed-Controlled PMSM Drive
• 3.11. Performance Indices of Control System Use Different Controllers (Time Domain and Frequency Domain)
• 3.12. Optimization of Dynamic Performance of Fuzzy-Controlled PMSM Drive
• 4. CHAPTER 4: ILLUSTRATION OF A FUZZY-CONTROLLED PWM-OPERATED PMSM DRIVE EMPLOYED IN LIGHT ELECTRIC VEHICLE
• 4.1. Proposed System Description
• 4.2. Design Considerations of a Fuzzy Speed Controller
• 4.3. Performance of a Light Electric Vehicle
• 4.4. Simulation Results and Discussion
• 4.5. Experimental Results and Discussion
• 5. CHAPTER 5: DEVELOPMENT OF CONTROL STRATEGY OF A VECTOR-CONTROLLED PMSM TORQUE DRIVE FOR ENERGY-EFFICIENT ELECTRIC VEHICLE
• 5.1. Mathematical Modelling and Proposed System Description
• 5.2. Analysis of a Hysteresis Current Controller
• 5.3. Modelling of an Energy-Efficient Electric Vehicle
• 5.4. Simulation Results and Discussion
• 5.5. Performance of an Energy-Efficient Electric Vehicle
• 5.6. Some Case Studies
• 6. CHAPTER 6: CONCLUSIONS AND FUTURE WORK
• REFERENCES AND FURTHER READING

Tóm tắt

I. Tổng quan về chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cho xe điện

Chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) cho xe điện đang trở thành một chủ đề nóng trong ngành công nghiệp ô tô. Động cơ PMSM được biết đến với hiệu suất cao và khả năng tiết kiệm năng lượng. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của xe điện mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các phương pháp điều khiển hiện tại và tiềm năng của chúng trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ.

1.1. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và ứng dụng trong xe điện

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một trong những công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực xe điện. Chúng cung cấp mô-men xoắn cao và hiệu suất vượt trội, giúp xe điện hoạt động hiệu quả hơn. Việc sử dụng động cơ này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng động cơ PMSM trong xe điện

Sử dụng động cơ PMSM mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu tiếng ồn và bảo trì thấp. Những lợi ích này làm cho động cơ PMSM trở thành lựa chọn hàng đầu cho các nhà sản xuất xe điện hiện nay.

II. Thách thức trong việc điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Mặc dù động cơ PMSM có nhiều ưu điểm, nhưng việc điều khiển chúng cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ chính xác trong điều khiển, khả năng đáp ứng nhanh và ổn định trong các điều kiện hoạt động khác nhau là những yếu tố cần được xem xét. Nghiên cứu này sẽ phân tích các thách thức chính và đề xuất giải pháp để khắc phục.

2.1. Độ chính xác trong điều khiển động cơ

Độ chính xác trong điều khiển động cơ PMSM là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Các sai số trong điều khiển có thể dẫn đến giảm hiệu suất và tăng tiêu thụ năng lượng. Việc sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến có thể giúp cải thiện độ chính xác này.

2.2. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến hiệu suất

Điều kiện môi trường như nhiệt độ và độ ẩm có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ PMSM. Cần có các giải pháp điều khiển thích ứng để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định trong mọi điều kiện.

III. Phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hiệu quả

Để tối ưu hóa hiệu suất của động cơ PMSM, nhiều phương pháp điều khiển đã được phát triển. Các phương pháp này bao gồm điều khiển PID, điều khiển mờ và điều khiển thích ứng. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Điều khiển PID trong động cơ PMSM

Điều khiển PID là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong điều khiển động cơ. Phương pháp này giúp cải thiện độ ổn định và độ chính xác của động cơ PMSM, nhưng cần phải điều chỉnh các tham số một cách chính xác.

3.2. Điều khiển mờ và ứng dụng trong động cơ PMSM

Điều khiển mờ là một phương pháp điều khiển linh hoạt, cho phép xử lý các biến động không chắc chắn trong hệ thống. Phương pháp này có thể cải thiện hiệu suất của động cơ PMSM trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

IV. Ứng dụng thực tiễn của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong xe điện

Động cơ PMSM đã được áp dụng rộng rãi trong các loại xe điện hiện đại. Các ứng dụng này không chỉ bao gồm xe ô tô mà còn cả xe máy điện và xe buýt điện. Việc áp dụng công nghệ này đã chứng minh được hiệu quả trong việc giảm tiêu thụ năng lượng và bảo vệ môi trường.

4.1. Xe điện thông minh và động cơ PMSM

Xe điện thông minh sử dụng động cơ PMSM để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Công nghệ này cho phép xe tự động điều chỉnh hiệu suất dựa trên điều kiện lái xe.

4.2. Kết quả nghiên cứu về hiệu suất động cơ PMSM

Nghiên cứu cho thấy động cơ PMSM có thể cải thiện hiệu suất năng lượng lên đến 30% so với các loại động cơ khác. Điều này làm cho động cơ PMSM trở thành lựa chọn hàng đầu cho các nhà sản xuất xe điện.

V. Kết luận và tương lai của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong xe điện

Tương lai của động cơ PMSM trong xe điện rất hứa hẹn. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, động cơ PMSM sẽ ngày càng trở nên hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển mới sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng ứng dụng của động cơ này.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ động cơ PMSM

Công nghệ động cơ PMSM đang phát triển nhanh chóng với nhiều cải tiến về hiệu suất và độ bền. Các nghiên cứu mới sẽ tiếp tục mở rộng khả năng ứng dụng của động cơ này trong tương lai.

5.2. Tương lai của xe điện và động cơ PMSM

Xe điện sẽ trở thành một phần quan trọng trong giao thông vận tải trong tương lai. Động cơ PMSM sẽ đóng vai trò chủ chốt trong việc phát triển các phương tiện giao thông bền vững và hiệu quả.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình chuyển đổi năng lượng xanh toàn cầu đang đặt ra yêu cầu giảm thiểu ít nhất 20% lượng phát thải khí nhà kính và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo lên trên 20%. Trong lĩnh vực giao thông vận tải, các dòng xe điện hiện đại đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ nguồn nạp đến bánh xe trong khoảng 45% đến 55%, vượt trội hoàn toàn so với động cơ đốt trong truyền thống. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) trở thành lựa chọn hàng đầu cho hệ thống truyền động xe điện nhờ mật độ công suất cao, tỷ số mô-men trên thể tích lớn, vận hành êm ái và hiệu suất chuyển đổi vượt bậc.

Tuy nhiên, thách thức kỹ thuật lớn nhất hiện nay là hiện tượng nhấp nhô mô-men xoắn, sóng hài dòng điện bậc cao và tính phi tuyến phức tạp khi phương tiện thay đổi tốc độ hoặc tải trọng đột ngột. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là thiết lập mô hình toán học giải tích và phát triển các chiến lược điều khiển tối ưu cho hệ truyền động PMSM tự đồng bộ cấp nguồn từ bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha.

Mục tiêu cụ thể bao gồm: phân tích động học hệ thống theo từng trạng thái chuyển mạch 180 độ; tối ưu hóa góc lệch cảm biến vị trí rotor (sensor lead angle); thiết kế và đánh giá so sánh hiệu năng giữa bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller) với các bộ điều khiển kinh điển; đồng thời phát triển cấu trúc nghịch lưu Buck-VSI cải tiến nhằm giảm thiểu sóng hài và ngăn chặn hiện tượng quá tải.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trên các dải điện áp DC từ 48V đến 96V và mở rộng đến 200V, cùng các cấp tải trọng từ 0 Nm đến 10 Nm trên hệ thống xe điện hạng nhẹ. Kết quả mang lại ý nghĩa to lớn trong việc làm mịn dòng điện pha, triệt tiêu độ vọt lố tốc độ về mức 0%, duy trì sai số xác lập xấp xỉ 0 rad/s và nâng cao hiệu suất vận hành toàn hệ thống lên trên 92%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết biến đổi không gian vector và phép biến đổi Park (hệ trục abc sang hệ quy chiếu rotor dq0). Công cụ toán học này cho phép chuyển đổi hệ thống điện áp và dòng điện 3 pha xoay chiều thành các thành phần 2 pha tương đương một chiều, giúp kiểm soát độc lập dòng tạo từ thông trục d và dòng tạo mô-men trục q.

Mô hình điều khiển tự đồng bộ được thiết lập dựa trên nguyên lý kích hoạt 6 khóa chuyển mạch bán dẫn MOSFET của bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) theo chế độ dẫn 180 độ, đồng bộ chính xác với tín hiệu vị trí rotor. Để nâng cao chất lượng điều khiển phi tuyến, luận văn áp dụng lý thuyết điều khiển mờ thích nghi theo mô hình suy luận Mamdani. Hệ thống mờ sử dụng 2 biến đầu vào là sai số tốc độ và đạo hàm sai số tốc độ cùng biến đầu ra là giá trị dòng điện trục q tham chiếu, thông qua ma trận 49 luật hợp thành tối ưu.

Bên cạnh đó, lý thuyết điều khiển định hướng từ trường (FOC) và nguyên lý điều chế độ rộng xung sin (SPWM) được kết hợp để giữ thành phần điện áp trục d bằng 0V, triệt tiêu triệt để các sóng hài bậc 5 và bậc 7, đảm bảo dòng điện pha tiệm cận dạng sóng sin chuẩn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng giải tích trên môi trường MATLAB/Simulink và kiểm chứng thực nghiệm trên băng thử phần cứng công suất thực. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 6 tổ hợp trạng thái chuyển mạch (612, 123, 234, 345, 456, 561) trong một chu kỳ điện 360 độ, với độ phân giải góc quét 60 độ thông qua bộ mã hóa encoder 3-bit.

Phương pháp chọn mẫu dữ liệu tập trung vào việc khảo sát toàn diện các kịch bản vận hành khắc nghiệt: chế độ không tải (0 Nm), chế độ đầy tải (5 Nm, 7 Nm, 10 Nm), bước nhảy tốc độ đặt 20 rad/s, và biến thiên điện áp nguồn DC từ 48V lên 96V. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích miền thời gian kết hợp miền tần số thông qua biểu đồ Bode, quỹ đạo nghiệm số (Root Locus) và biến đổi Fourier nhanh (FFT) là nhằm đánh giá chính xác độ ổn định tuyệt đối, độ dự trữ biên, độ dự trữ pha cũng như hệ số méo hài tổng (THD) của dòng điện và điện áp. Tiến trình nghiên cứu được thực hiện tuần tự từ khâu mô hình hóa toán học, thiết kế giải thuật trên máy tính đến chế tạo bo mạch điều khiển thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc tối ưu hóa góc sớm của cảm biến vị trí (sensor lead angle) từ 0 độ sang -30 độ tạo ra sự chuyển dịch pha hoàn hảo giữa sức từ động phần ứng và sức từ động rotor. Kết quả này giúp dạng sóng dòng điện pha tiệm cận hình sin hoàn chỉnh, giảm độ nhấp nhô mô-men xoắn từ mức 12% xuống dưới 4.5% khi vận hành ở mức tải định mức 7 Nm.

Thứ hai, bộ điều khiển Fuzzy Logic thể hiện sự vượt trội vượt bậc so với các bộ điều khiển kinh điển PI, PID, Lead và Lead-Lag. Khi đưa vào bước nhảy tốc độ tham chiếu 20 rad/s dưới tải trọng 5 Nm, bộ điều khiển mờ triệt tiêu hoàn toàn độ vọt lố (0%), rút ngắn 40% thời gian quá độ và đưa sai số tốc độ xác lập về xấp xỉ 0 rad/s.

Thứ ba, cấu trúc biến đổi Buck-VSI cải tiến hoạt động tương đương một bộ nghịch lưu nguồn dòng (CSI), giúp suy giảm hệ số méo hài dòng điện THD từ 18.6% trên mạch VSI thông thường xuống còn 3.8% trên mô hình thực nghiệm, đồng thời bảo vệ hệ thống an toàn tuyệt đối trước các xung quá tải tức thời lên đến 10 Nm.

Thứ tư, trong chiến lược điều khiển mô-men định hướng từ trường FOC, bộ điều khiển dòng PWM cố định tần số mang giúp làm giảm 35% biên độ dao động từ thông trục d và triệt tiêu nguy cơ khử từ nam châm vĩnh cửu so với bộ điều khiển dòng trễ Hysteresis.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt hiệu năng vượt trội là nhờ sự định hướng chính xác của vector không gian từ trường rotor và vector điện áp stator thông qua việc tinh chỉnh góc cảm biến, tạo ra góc mô-men lý tưởng xấp xỉ 90 độ điện. Khi so sánh với các nghiên cứu sử dụng bộ điều khiển PI truyền thống, vốn có thông số cố định và dễ bị dao động khi máy điện nóng lên hoặc tải thay đổi, giải thuật Fuzzy Logic thích nghi tự động tái cấu trúc ma trận khuếch đại theo thời gian thực để duy trì tính ổn định tiệm cận.

Các dữ liệu phản hồi quá độ tốc độ, đặc tính mô-men xoắn và phổ sóng hài FFT được thể hiện trực quan qua các đồ thị phân tích miền tần số và bảng thông số thời gian xác lập. Việc tích hợp tầng biến đổi Buck phía trước cầu nghịch lưu 6 khóa MOSFET đã tạo ra một rào chắn dòng điện hiệu quả, giúp điện áp DC bus luôn ổn định ngay cả khi điện áp ắc-quy suy giảm. Những kết quả thực nghiệm này khẳng định rằng giải pháp tích hợp phần cứng Buck-VSI và thuật toán điều khiển mờ không chỉ giúp động cơ đạt hiệu suất trên 92% mà còn gia tăng đáng kể quãng đường di chuyển và tuổi thọ pin trên xe điện hạng nhẹ.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tối ưu hóa góc đặt cảm biến vị trí phần cứng: Đội ngũ kỹ sư thiết kế truyền động cần cố định góc lệch cảm biến encoder ở giá trị -30 độ trong giải thuật tự đồng bộ, nhằm mục tiêu khống chế biên độ nhấp nhô mô-men xoắn dưới 5%, thực hiện hoàn tất trong giai đoạn 3 tháng đầu triển khai phần cứng.

Thứ hai, nhúng thuật toán điều khiển mờ thích nghi vào bộ vi xử lý DSP: Bộ phận phát triển phần mềm nhúng cần số hóa hệ quy tắc mờ Mamdani sang ngôn ngữ C/C++ tối ưu hóa bộ nhớ, hướng tới mục tiêu rút ngắn thời gian đáp ứng quá độ xuống dưới 50 mili-giây và triệt tiêu độ vọt lố tốc độ, hoàn thành trong thời hạn 6 tháng.

Thứ ba, chuẩn hóa cấu trúc phần cứng Buck-VSI trên các dòng xe máy điện: Các doanh nghiệp sản xuất phương tiện giao thông chạy điện cần tích hợp mạch chuyển đổi Buck phía trước cầu nghịch lưu 3 pha nhằm hạ chỉ số méo hài THD dòng điện xuống dưới 4% và tăng khả năng chịu quá tải ở dải mô-men 10 Nm, tiến hành thử nghiệm trên xe mẫu trong lộ trình 9 tháng.

Thứ tư, tích hợp trạm sạc quang điện thông minh và giao thức IoT: Cơ quan quản lý hạ tầng đô thị cùng các nhà phát triển năng lượng cần xây dựng mạng lưới trạm sạc mặt trời công suất bức xạ 1000 W/m² tích hợp công nghệ IoT để giám sát dòng sạc, nâng tỷ lệ sử dụng năng lượng sạch cho xe điện lên trên 55% trong vòng 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế hệ truyền động xe điện: Khai thác chi tiết phương pháp thiết kế mạch nghịch lưu Buck-VSI và kỹ thuật tinh chỉnh góc cảm biến vị trí để phát triển các bộ điều khiển động cơ hiệu suất cao cho xe máy điện và ô tô điện cỡ nhỏ.

Học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Tự động hóa: Tiếp cận hệ thống phương trình vi phân mô tả không gian trạng thái động cơ PMSM, lý thuyết biến đổi Park và phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi trên môi trường MATLAB/Simulink.

Doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp phương tiện giao thông xanh: Ứng dụng các giải pháp làm mịn mô-men và giảm thiểu sóng hài dòng điện để nâng cao độ bền động cơ, giảm rung ồn cơ khí và tối ưu hóa chi phí sản xuất phần cứng.

Chuyên gia phát triển trạm sạc thông minh và lưới điện microgrid: Tham khảo kiến trúc kết nối IoT và giải pháp tích hợp nguồn điện mặt trời để xây dựng hệ thống quản lý năng lượng thông minh, đáp ứng các tiêu chuẩn bền vững đô thị.

Câu hỏi thường gặp

Động cơ PMSM mang lại những ưu thế vượt trội nào so với động cơ cảm ứng truyền thống trên xe điện? Động cơ PMSM sở hữu mật độ công suất cao hơn từ 20% đến 30%, hiệu suất vận hành vượt trên 90% và khả năng sinh mô-men cực đại ngay từ dải tốc độ 0 vòng/phút. Cấu trúc không chổi than giúp loại bỏ tổn hao ma sát, giảm 50% chi phí bảo dưỡng định kỳ và vận hành êm ái, rất phù hợp cho phương tiện giao thông thông minh.

Việc tối ưu hóa góc lệch cảm biến vị trí (sensor lead angle) tác động ra sao đến chất lượng mô-men xoắn? Khi hiệu chỉnh góc lệch cảm biến về vị trí tối ưu -30 độ, vector từ trường rotor và vector điện áp stator được căn chỉnh chính xác theo chu kỳ chuyển mạch 60 độ. Sự đồng bộ này giúp dạng sóng dòng điện tiệm cận hình sin chuẩn, qua đó giảm độ nhấp nhô mô-men xoắn từ 12% xuống dưới 4.5% khi vận hành mang tải 7 Nm.

Vì sao bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic) lại đạt hiệu năng vượt trội hơn bộ điều khiển PI và PID truyền thống? Bộ điều khiển PI và PID truyền thống bị suy giảm chất lượng khi động cơ PMSM thay đổi tải đột ngột từ 0 Nm lên 5 Nm. Ngược lại, bộ điều khiển Fuzzy Logic xử lý xuất sắc các đặc tính phi tuyến thông qua hệ luật thích nghi, giúp triệt tiêu hoàn toàn độ vọt lố và giữ sai số tốc độ ổn định ở mức xấp xỉ 0 rad/s.

Cấu trúc bộ nghịch lưu Buck-VSI cải tiến mang lại lợi ích gì cho hệ truyền động xe điện hạng nhẹ? Mạch Buck-VSI hoạt động tương tự bộ nghịch lưu nguồn dòng, cho phép kiểm soát dòng ngõ vào linh hoạt và chịu được ngắn mạch tức thời. Cấu trúc này giúp cắt giảm tổng độ méo sóng hài THD từ 18.6% xuống còn 3.8%, ngăn ngừa hiện tượng quá dòng khi động cơ chịu tải cực đại 10 Nm trên thực nghiệm.

Sự khác biệt cơ bản giữa bộ điều khiển dòng trễ (Hysteresis) và bộ điều khiển PWM trong chế độ điều khiển mô-men là gì? Bộ điều khiển dòng trễ có cấu trúc đơn giản nhưng tần số đóng cắt biến thiên, làm gia tăng sóng hài và nhấp nhô mô-men ở tần số cao. Trong khi đó, bộ điều khiển dòng PWM cố định tần số mang, giúp giảm thiểu 35% dao động từ thông trục d và hạn chế nguy cơ khử từ nam châm vĩnh cửu.

Kết luận

• Hoàn thiện mô hình toán học giải tích toàn diện của hệ truyền động PMSM tự đồng bộ trên hệ quy chiếu rotor dq0 với chế độ dẫn 180 độ.
• Chứng minh hiệu quả vượt bậc của kỹ thuật tối ưu hóa góc sớm cảm biến -30 độ trong việc làm mịn dạng sóng dòng điện pha và triệt tiêu sóng hài.
• Khẳng định tính ưu việt của bộ điều khiển mờ thích nghi với khả năng loại bỏ 100% độ vọt lố tốc độ và duy trì sai số xác lập bằng 0 rad/s.
• Chế tạo thành công nguyên mẫu mạch nghịch lưu Buck-VSI thực nghiệm, hạ chỉ số méo hài THD dòng điện xuống dưới ngưỡng 4% và chống quá tải an toàn.
• Đề xuất kiến trúc trạm sạc quang điện thông minh công suất 1000 W/m² tích hợp công nghệ IoT cho hệ sinh thái xe điện hiện đại.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết điều khiển tự động phi tuyến phức tạp và ứng dụng kỹ thuật thực tế trên xe điện. Trong lộ trình từ 12 đến 24 tháng tới, hướng nghiên cứu sẽ tiếp tục mở rộng sang các giải thuật ước lượng vị trí rotor không cảm biến (sensorless) ở dải siêu tốc độ. Hãy áp dụng ngay các giải pháp điều khiển tiên tiến này để nâng tầm chất lượng, độ bền và hiệu suất cho hệ truyền động xe điện của bạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CONTROL STRATEGIES OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR DRIVE FOR ELECTRIC VEHICLES Chiranjit Sain, Atanu Banerjee and Pabitra Kumar Biswas Taylor & Francis Group Control Strategies of ­Permanent Magnet ­Synchronous Motor Drive for Electric Vehicles Control Theory and Applications About the Series This book series is envisaged to add to the scholarly discourse on h­ igh-quality books in all areas related to control theory and applications. The book series provides a forum for the control scientists and engineers to exchange related knowledge and experience on contemporary research and development in control and automation. This includes aircraft control, adaptive control, sliding mode control, evolutionary control, fuzzy theory and control, robotic manipulators, and even control applica- tions in areas such as the Internet of Things and Big Data. The scope includes all aspects of control engineering needed to implement practical control systems, from analysis and design, through simulation and hardware, with a special emphasis on bridging the gap between theory and practice.

It aims to explore the latest research findings and provide attention to emerging topics in control theory and its applica- tions to diverse domains of engineering and technology, to expand the knowledge base and applications of this rapidly evolving and interdisciplinary field. The series will include textbooks, references, handbooks, and ­short-form books. Series Editor: Dipankar Deb Dr Dipankar Deb (­PhD, University of Virginia) Professor (­Electrical Engineering) Institute of Infrastructure, Technology, Research and Management (­IITRAM) (­An Autonomous University, Established by Government of Gujarat) Ahmedabad, Gujarat, India 380026 Office: +­91-7967775408, Mobile: +­91-7203954452 Researchgate: https://­www.net/­profile/­Dipankar_Deb4 (­RG Score: 29.91) Google Scholar: https://­scholar.in/­citations?user=tu1T1FUAAAAJ&hl=en Home Page: http://­iitram.php?fac_id=9 1. Control Strategies of Permanent Magnet Synchronous Motor Drive for Electric Vehicles Chiranjit Sain, Atanu Banerjee and Pabitra Kumar Biswas Control Strategies of ­Permanent Magnet ­Synchronous Motor Drive for Electric Vehicles Chiranjit Sain Atanu Banerjee Pabitra Kumar Biswas MATLAB® and Simulink® are trademarks of The MathWorks, Inc.

and are used with permission. The MathWorks does not warrant the accuracy of the text or exercises in this book. This book’s use or discussion of MATLAB® and Simulink® software or related products does not constitute ­endorsement or sponsorship by The MathWorks of a particular pedagogical approach or particular use of the MATLAB® and Simulink® software. First edition published 2023 by CRC Press 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300, Boca Raton, FL ­33487-2742 and by CRC Press 2 Park Square, Milton Park, Abingdon, Oxon, OX14 4RN © 2023 Chiranjit Sain, Atanu Banerjee and Pabitra Kumar Biswas CRC Press is an imprint of Taylor & Francis Group, LLC Reasonable efforts have been made to publish reliable data and information, but the author and ­publisher cannot assume responsibility for the validity of all materials or the consequences of their use.

The authors and publishers have attempted to trace the copyright holders of all material ­reproduced in this publication and apologize to copyright holders if permission to publish in this form has not been obtained. If any copyright material has not been acknowledged please write and let us know so we may rectify in any future reprint. Except as permitted under U. Copyright Law, no part of this book may be reprinted, reproduced, transmitted, or utilized in any form by any electronic, mechanical, or other means, now known or hereafter invented, including photocopying, microfilming, and recording, or in any information storage or retrieval system, without written permission from the publishers.

For permission to photocopy or use material electronically from this work, access www. com or contact the Copyright Clearance Center, Inc. (­CCC), 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, 9 ­ 78-­750-8400. For works that are not available on CCC please contact m ­ pkbookspermissions@ tandf.uk Trademark notice: Product or corporate names may be trademarks or registered trademarks and are used only for identification and explanation without intent to infringe.1201/­9781003189558 Typeset in Times by codeMantra Dedicated to Our Beloved Family Members Taylor & Francis Taylor & Francis Group http://taylorandfrancis.com Contents List of Figures.xi List of Tables.xxv List of Symbols.xxvii Chapter 1 Introduction.1 Background and Problem Formulation.2 Review of Mathematical Modelling and ­Open-­Loop- Based Control Strategy of a ­Self-Controlled PMSM Drive.3 Review of ­Closed-­Loop-Based Control Strategy of a PMSM Drive.2 Review of Fuzzy ­Logic-Controlled ­PWM- Operated PMSM Drive.4 Development of Different Control Strategies of a PMSM Drive.5 ­Solar-Powered PMSM Drive Smart Electric Vehicle for Sustainable Development.6 Smart ­Technology-Based ­Solar-Powered Electric Vehicle.7 Industrial Linkage in Smart Electric Vehicles.9 Outline of the Thesis.

14 Chapter 2 Mathematical Modelling and Dynamic Performance Evaluation of a ­Self-Controlled Permanent Magnet Synchronous Motor Drive.3 Development of Mathematical Modelling and System Description�������������������������������������������������������������������������������19 2.1 Modelling of PWM-Operated T ­ hree-Phase Voltage Source Inverter Topology������������������������������ 20 2.2 Transformation of ­abc-dq0 Matrix in Rotor Reference Frame����������������������������������������������������������21 2.3 Modelling of PMSM Machine����������������������������������� 22 2.4 Concept of Sensor Angle and Rotor Position Estimation.25 vii viii Contents 2.5 Simulation Results and Discussion������������������������������������������ 27 2.1 Performance Indices of a PMSM Drive without Sensor Angle Optimization���������������������������������������� 29 2.2 Comparative Performance Analysis with Sensor ­ Angle-Based Optimization (­­No-Load Operation)����� 30 2.3 Comparative Performance Analysis with Sensor ­ Angle-Based Optimization (­­On-Load Operation)�������33 2.4 Some Case Studies under Various Operating Conditions�������������������������������������������������������������������37 2.5 Illustration of Dynamic Behaviour of a PMSM Drive at Various DC Link Voltages����������������������������39 2.6 Illustration of Dynamic Behaviour of a PMSM Drive at Various Load Torques�����������������������������������41 2.6 Experimental Results and Discussions�������������������������������������41 2.7 Chapter Summary������������������������������������������������������������������� 48 Chapter 3 Design and Comparative Analysis of ­Closed-Loop Control Strategy in a Simplified PMSM Drive Using Various Classical and Fuzzy Logic Controllers.3 Establishment of Mathematical Model of a Simplified ­Closed-Loop PMSM Drive.4 Performance Evaluation of a Simplified PMSM Drive Using Proportional Integral Controller.5 Performance Evaluation of Proposed Simplified C ­ losed- Loop PMSM Drive Using Lead Speed Compensator.6 Performance Evaluation of Proposed Simplified C ­ losed- Loop PMSM Drive Using ­Lead-Lag Speed Compensator.7 Investigation of a ­Closed-Loop PMSM Drive Employing PID Controller.8 Discussion and Comparative Performance Evaluation between a ­PI- and ­PID-Controlled Simplified PMSM Drive.9 Observation of Various Case Studies.10 Development of Fuzzy Logic Controller for Simplified ­Closed-Loop Model of a Simplified PMSM Drive.1 Development of Fuzzy Logic Controller Rule Base.2 Dynamic Performance Evaluation of Fuzzy Logic ­Speed-Controlled PMSM Drive.3 Performance Indices of Control System Use Different Controllers (­Time Domain and Frequency Domain).4 Optimization of Dynamic Performance of ­Fuzzy-Controlled PMSM Drive. 79 Contents ix Chapter 4 Illustration of a ­Fuzzy-Controlled ­PWM-Operated PMSM Drive Employed in Light Electric Vehicle.3 Proposed System Description.1 Design Considerations of a Fuzzy Speed Controller.4 Performance of a Light Electric Vehicle.5 Simulation Results and Discussion.6 Experimental Results and Discussion. 106 Chapter 5 Development of Control Strategy of a ­Vector-Controlled PMSM Torque Drive for ­Energy-Efficient Electric Vehicle.3 Mathematical Modelling and Proposed System Description.1 Analysis of a Hysteresis Current Controller.2 Modelling of an ­Energy-Efficient Electric Vehicle.4 Simulation Results and Discussion.1 Performance of an ­Energy-Efficient Electric Vehicle.2 Some Case Studies. 134 Chapter 6 Conclusions and Future Work.

136 References and Further Reading. 147 Taylor & Francis Taylor & Francis Group http://taylorandfrancis.com List of Figures ­Figure 1.1  Layout representation of a s­ olar-powered smart electric vehicle.2  Smart ­technology-based charging solution for a modern electric vehicle.3  Image of a s­ olar-powered smart electric vehicle.4  Internet of Things (­IoT)-based architecture for a smart electric vehicle.1  System layout representation of the proposed PMSM drive.2  Representation of permanent magnet synchronous motor.3  Representation of a simplified (­a) ­d-axis equivalent circuit and (­b) ­q-axis equivalent circuit of a PMSM machine.4  Geometrical representation of the space vector topology while (­a) sensor angle (­sang) = 0° and (­b) sensor angle (­sang) = −30°.5  Orientation of the field mmf (­Mf) and the armature voltage (­Va) space vectors at different switching instants (­a) while 6, 1 and 2 are ON and rotor position θr = −30° and (­b) when rotor position θr = +30°, (­c) while 1, 2 and 3 are ON and rotor position θr = 30°, (­d) when 2, 3 and 4 are ON and rotor position θr = 90°, (­e) while 3, 4 and 5 are ON and rotor position θr = 150° and (­f ) when 4, 5 and 6 are ON and rotor position θr = 210°.6  Flowchart for the dynamic simulation of proposed algorithm.7  Variation of (­a) speed vs time, (­b) torque vs time, (­c) phase voltage, (­d) phase current, (­e) quadrature axis current and (­f ) rotor position estimation response.8 Response of (­a,b) speed, (­c,d) electromagnetic torque, (­e,f) ­q-axis current, (­g,h) phase voltage, (­i,j) phase current and (­k,l) rotor position estimation vs time response while Tl = 0 Nm applied and due to the variation in sensor lead angle.9  Comparative analysis of (­a,b) speed, (­c,d) electromagnetic torque, (­e,f) ­q-axis current, (­g,h) phase voltage, (­i,j) phase current and (­k,l) rotor position estimation vs time response while Tl = 7 Nm is applied and due to the variation in sensor lead angle.34 xi xii List of Figures ­Figure 2.10  Comparative dynamic analysis of (­a,b) ­d-axis current, (­c,d) ­torque-speed curve, (­e,f) ­d-axis voltage and (­g,h) ­q-axis voltage due to the variation in sensor angle in a PMSM machine.11  Phase voltage waveform when 96 V is employed at the dc link in (­a) transient condition and (­b) ­steady-state condition.12  Electromagnetic torque vs time waveform with operating conditions same in (­a) transient condition and (­b) ­steady-state condition.13  Phase current waveform in (­a) transient condition and (­b) ­steady-state condition.14  Variation of (­a) speed, (­b) rotor position, (­c) phase voltage and (­d) ­torque-speed curve due to the change in mechanical parameters.15  Response of speed, torque, phase voltage, phase current and rotor position response when 48 V and 96 V are applied with Tl = 0.16  Response of (a) speed, (b) torque, (c) phase current and (d) phase voltage vs time response with Tl = 5 Nm applied.17  Image of the experimental test rig.18  Layout diagram of the proposed hardware circuitry.19 ­Real-time response of (­a) inductor current in a ­buck-type VSI and gate pulses of the power switches, (­b) line voltage of the inverter, (­c) phase voltages of the inverter and (­d) generated emf and armature current on ­no-load and ­on-load operation of a PMSM machine.20  ­Real-time variation of (­1) phase A current under transient condition, (­2) phase B current under transient condition, (­3) armature current at ­steady-state condition and (­4) inverter output current.21  Variation of speed at various samples taken in the ­real-time ­set-up.22  Measurement of speed at various samples with load variations.23  Rotor position vs time response in ­real-time ­set-up.24  Experimental analysis of the ­torque-speed curve.1   Schematic representation of the proposed permanent magnet synchronous motor (­PMSM) drive. 50 List of Figures xiii ­Figure 3.2   Representation of a simplified permanent magnet synchronous motor (­PMSM) drive with speed and current controller.3   Block diagram of the proposed simplified permanent magnet synchronous motor (­PMSM) drive.4   Current control loop.5   Simplified speed control loop.6   Simplified block diagram representation of a conventional proportional integral (­PI) controller.7   Time domain characteristics of ­two-loop current structure both using proportional integral (­PI) controller.8   Bode plot response of t­ wo-loop control structure.9   Root locus response of t­ wo-loop control structure.10  Speed variation of the simplified permanent magnet synchronous motor (­PMSM) drive: (­a) ­no-load operation, Tl = 0 and (­b) ­on-load operation, Tl = 5 Nm.11  Torque response of the simplified permanent magnet synchronous motor (­PMSM) drive: (­a) n­ o-load operation, Tl = 0 and (­b) ­on-load operation, Tl = 5 Nm.12 Bode plot response of ­two-loop control structure.13 Root locus response of ­two-loop control structure.14  Speed variation of the simplified permanent magnet synchronous motor (­PMSM) drive: (­a) n­ o-load operation, Tl = 0 and (­b) ­on-load operation, Tl = 5 Nm.15  Torque response of the simplified permanent magnet synchronous motor (­PMSM) drive: (­a) ­no-load operation, Tl = 0 and (­b) ­on-load operation, Tl = 5 Nm.16 Bode plot response of the proposed ­two-loop control structure.17 Root locus response of ­two-loop control structure.18  Speed response of the simplified permanent magnet synchronous motor (­PMSM) drive: (­a) n­ o-load operation, Tl = 0 and (­b) ­on-load operation, Tl = 5 Nm.19  Torque profile of the proposed simplified permanent magnet synchronous motor (­PMSM) drive: (­a) ­no-load operation, Tl = 0 and (­b) o­ n-load operation, Tl = 5 Nm. 62 xiv List of Figures ­Figure 3.