CONTROLLING AND ENHANCING PERFORMANCE OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR

• Tác giả: Lê Vũ Thanh
• Người hướng dẫn: Lê Thanh Phúc, Ph.
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Automotive Engineering Technology
• Đề tài: Controlling and Enhancing Performance of Permanent Magnet Synchronous Motor
• Loại tài liệu: Graduation Thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• DISCLAIMER
• ACKNOWLEDGEMENTS
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. Research progress in domestic
• 1.2. Research progress in international
• 2. CHƯƠNG 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Permanent Magnet Synchronous Motor
• 2.2. Structure and arrangement
• 2.3. Comparing to other electric motors
• 2.4. Function and features
• 2.5. Resolver to digital
• 2.6. Passive circuit elements
• 2.7. Active circuit elements
• 2.8. Voltage regulator LM7805
• 2.9. Operational amplifier LM358P
• 2.10. Introduction to the basics
• 3. CHƯƠNG 3: PMSM CONTROL SYSTEM
• 3.1. Six – step commutation
• 3.2. Control system description
• 3.3. System block diagram
• 3.4. Control algorithm flowchart
• 3.5. STM32CubeMX configuration
• 3.6. Resolver to digital circuits
• 3.7. Half – wave rectifier circuit
• 3.8. PMSM controlling circuits
• 4. CHƯƠNG 4: IMPROVING THE PMSM PERFORMANCE
• 4.1. PMSM control algorithm
• 4.2. Examining the outputs from the resolver
• 4.3. Plotting the tangent value of theta
• 4.4. Sine PWM application
• 4.5. Circuit configuration and working principle
• 5. CHƯƠNG 5: EXPERIMENT RESULTS
• 5.1. Assembling the circuits
• 5.2. Amplifying and interrupt results
• 5.3. Six – step commutation results
• 6. CHƯƠNG 6: CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS
• ABBREVIATIONS
• ABSTRACT

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Điều Khiển Động Cơ PMSM Hiệu Quả

Ngành công nghiệp ô tô đang trải qua một cuộc chuyển đổi sâu sắc hướng tới các hệ thống truyền động điện. Sự thay đổi này đang định hình lại bối cảnh phương tiện truyền thống, khi xe điện ngày càng trở nên phổ biến. Cùng với sự gia tăng áp dụng xe điện, nhu cầu về các công nghệ động cơ điện hiệu quả hơn cũng tăng lên. Động cơ cảm ứng nổi lên như một lựa chọn phổ biến trong thị trường xe điện nhờ tính đơn giản, độ bền và khả năng tạo ra mô-men xoắn đáng kể ở tốc độ thấp. Đặc tính mô-men xoắn này rất quan trọng để đảm bảo khả năng tăng tốc mượt mà, một yếu tố quan trọng trong trải nghiệm lái xe tổng thể. Tuy nhiên, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) cũng đang đạt được vị thế trong ngành do những ưu điểm riêng biệt của chúng. PMSM mang lại hiệu suất cao hơn, kích thước nhỏ gọn, điều khiển chính xác và giảm tổn thất năng lượng so với động cơ cảm ứng. Những phẩm chất này làm cho PMSM đặc biệt hấp dẫn đối với các ứng dụng xe điện. Hiệu quả điều khiển PMSM mang đến những thách thức riêng, đặc biệt là về khả năng cảm biến chính xác vị trí rôto. Luận văn này nỗ lực đề xuất một kỹ thuật điều khiển gọi là chuyển mạch sáu bước, được sử dụng để điều khiển PMSM và nghiên cứu một số điều chỉnh, điều chỉnh nhằm tối ưu hóa hiệu suất PMSM trong xe điện.

1.1. Xu Hướng Ứng Dụng Động Cơ PMSM Trong Ngành Ô Tô Điện

Sự phát triển của xe điện đang thúc đẩy nhu cầu về các giải pháp động cơ hiệu quả và mạnh mẽ. Động cơ PMSM nổi bật như một ứng cử viên hàng đầu nhờ khả năng cung cấp hiệu suất cao và mật độ năng lượng cao. Các nhà sản xuất ô tô đang tích cực khám phá và triển khai PMSM trong các mẫu xe điện mới nhất của họ, nhằm cải thiện phạm vi hoạt động và hiệu suất tổng thể. Nghiên cứu này tập trung vào các phương pháp điều khiển tiên tiến để khai thác tối đa tiềm năng của PMSM trong các ứng dụng xe điện.

1.2. Thách Thức Và Cơ Hội Trong Việc Điều Khiển Động Cơ PMSM

Mặc dù PMSM mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc điều khiển chúng một cách hiệu quả đòi hỏi các kỹ thuật phức tạp. Các vấn đề như cảm biến vị trí rôto chính xác, giảm thiểu gợn sóng mô-men xoắn và tối ưu hóa hiệu suất trong các điều kiện hoạt động khác nhau vẫn là những thách thức đáng kể. Tuy nhiên, những thách thức này cũng mang đến cơ hội để phát triển các phương pháp điều khiển sáng tạo và nâng cao hiệu suất của PMSM trong các ứng dụng thực tế.

II. Tổng Quan Các Phương Pháp Điều Khiển Động Cơ PMSM Hiện Đại

Trong lĩnh vực điều khiển động cơ, PMSM đã thu hút sự chú ý đáng kể do hiệu suất và mật độ năng lượng vượt trội của chúng. Các phương pháp điều khiển khác nhau đã được phát triển để khai thác tối đa tiềm năng của PMSM. Hai phương pháp nổi bật là Field-Oriented Control (FOC) và Direct Torque Control (DTC). FOC, còn được gọi là điều khiển vector, liên quan đến việc điều khiển dòng điện stator để tạo ra trường rôto vuông góc với trường stator, cho phép điều khiển mô-men xoắn chính xác. DTC, ngược lại, trực tiếp điều khiển mô-men xoắn và thông lượng stator, mang lại phản ứng nhanh và cấu trúc điều khiển đơn giản. Việc lựa chọn giữa FOC và DTC phụ thuộc vào các yêu cầu ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như hiệu suất động, độ chính xác và độ phức tạp của hệ thống.

2.1. Phân Tích Chi Tiết Phương Pháp Điều Khiển Vector FOC Cho PMSM

Điều khiển Vector (FOC) là một phương pháp điều khiển cao cấp được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển động cơ hiệu suất cao. FOC đạt được điều này bằng cách điều khiển riêng biệt các thành phần mô-men xoắn và thông lượng của dòng điện stator. Điều này cho phép điều khiển chính xác mô-men xoắn và tốc độ, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe như xe điện, robot và máy công cụ CNC. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc cải thiện độ mạnh mẽ và hiệu quả của các thuật toán FOC, đặc biệt là trong các điều kiện hoạt động thay đổi.

2.2. Ưu Điểm Và Hạn Chế Của Phương Pháp Điều Khiển Trực Tiếp Mô men DTC

Điều khiển Trực tiếp Mô-men (DTC) là một phương pháp điều khiển khác thường được sử dụng trong các ứng dụng PMSM. DTC đơn giản hơn về mặt khái niệm so với FOC, vì nó trực tiếp điều khiển mô-men xoắn và thông lượng stator mà không cần các phép biến đổi dòng điện phức tạp. Điều này dẫn đến phản ứng động nhanh và cấu trúc điều khiển đơn giản hơn. Tuy nhiên, DTC có thể gặp phải gợn sóng mô-men xoắn cao hơn so với FOC, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào các kỹ thuật giảm gợn sóng mô-men xoắn trong DTC để cải thiện hiệu suất tổng thể của PMSM.

2.3. So Sánh Hiệu Suất FOC Và DTC Trong Các Ứng Dụng PMSM Thực Tế

Việc lựa chọn giữa FOC và DTC phụ thuộc vào các yêu cầu ứng dụng cụ thể. FOC thường được ưa chuộng trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe về độ chính xác và hiệu suất động, chẳng hạn như xe điện và robot. DTC phù hợp hơn cho các ứng dụng mà phản ứng nhanh và độ phức tạp của hệ thống thấp là ưu tiên hàng đầu, chẳng hạn như máy bơm công nghiệp và quạt. Các nghiên cứu so sánh đã chỉ ra rằng FOC có thể mang lại hiệu suất cao hơn và gợn sóng mô-men xoắn thấp hơn so với DTC trong một số ứng dụng nhất định, nhưng DTC có thể cung cấp phản hồi nhanh hơn và độ phức tạp thấp hơn. Các yếu tố khác, chẳng hạn như chi phí, kích thước và độ tin cậy, cũng nên được xem xét khi lựa chọn phương pháp điều khiển.

III. Giải Pháp Chuyển Mạch Sáu Bước Nâng Cao Hiệu Suất Động Cơ PMSM

Luận văn này tập trung vào việc triển khai kỹ thuật chuyển mạch sáu bước để điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM). Bằng cách sử dụng bộ phân giải (resolver) làm cảm biến vị trí, hệ thống có thể xác định vị trí rôto hiện tại và kích hoạt các pha thích hợp của phần ứng stator cho phù hợp. Cụ thể, luận văn sẽ điều tra việc xử lý các tín hiệu được trả về bởi bộ phân giải, trích xuất thông tin liên quan và quy trình điều khiển PMSM. Hơn nữa, một mục tiêu khác là cải thiện khả năng quay của PMSM. Điều này đã đạt được bằng cách tinh chỉnh các hằng số điều khiển thông qua phân tích dữ liệu. Với các hằng số được tối ưu hóa, vòng quay trở nên mượt mà hơn với các trường hợp chết máy ít hơn. Ngoài ra, một mạch cầu H đã được sử dụng để tăng tốc độ của PMSM. Thông qua việc áp dụng điều chế độ rộng xung sin (Sine Pulse Width Modulation), hệ thống hoạt động ở tần số cao hơn, tăng cường kích thích được cung cấp cho cuộn dây của bộ phân giải.

3.1. Ứng Dụng Bộ Phân Giải Resolver Để Đo Vị Trí Rôto Chính Xác

Bộ phân giải đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển bằng cách cung cấp thông tin vị trí rôto chính xác. Các tín hiệu được trả về bởi bộ phân giải được xử lý cẩn thận để trích xuất thông tin vị trí và sử dụng để kích hoạt các pha thích hợp của phần ứng stator. Độ chính xác của phép đo vị trí rôto trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất điều khiển của PMSM. Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của phép đo vị trí rôto bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến.

3.2. Tinh Chỉnh Hằng Số Điều Khiển Để Giảm Thiểu Chết Máy Và Tăng Độ Mượt

Các hằng số điều khiển đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất của hệ thống điều khiển PMSM. Bằng cách tinh chỉnh các hằng số điều khiển, có thể giảm thiểu các trường hợp chết máy và tăng độ mượt của vòng quay. Nghiên cứu này sử dụng phân tích dữ liệu để xác định các giá trị hằng số điều khiển tối ưu, dẫn đến hiệu suất hệ thống điều khiển được cải thiện. Quá trình tinh chỉnh bao gồm việc xem xét các yếu tố như phản ứng của hệ thống, độ ổn định và độ mạnh mẽ.

3.3. Sử Dụng Mạch Cầu H Và Điều Chế Độ Rộng Xung Sin Sine PWM Để Tăng Tốc Độ

Mạch cầu H và kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin (Sine PWM) được sử dụng để tăng tốc độ của PMSM. Mạch cầu H cho phép kiểm soát dòng điện và điện áp đặt vào động cơ, trong khi Sine PWM được sử dụng để tạo ra tín hiệu điện áp hình sin để điều khiển động cơ. Bằng cách tăng tần số của tín hiệu Sine PWM, có thể tăng tốc độ của động cơ. Nghiên cứu này khám phá các kỹ thuật tối ưu hóa để Sine PWM để đạt được hiệu suất và tốc độ mong muốn.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Thử Nghiệm Và Đánh Giá Hiệu Năng Động Cơ PMSM

Luận văn này trình bày kết quả của các thử nghiệm được thực hiện để đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển PMSM được phát triển. Các thử nghiệm liên quan đến việc lắp ráp các mạch điện, khuếch đại và thu thập kết quả gián đoạn và thực hiện các kết quả chuyển mạch sáu bước. Kết quả thu được cho thấy rằng hệ thống điều khiển có thể điều khiển hiệu quả PMSM và đạt được hiệu suất mong muốn. Các thử nghiệm cũng cung cấp những hiểu biết có giá trị về các đặc tính của hệ thống và các lĩnh vực có thể cải thiện.

4.1. Quy Trình Lắp Ráp Mạch Điện Và Thu Thập Dữ Liệu Thử Nghiệm

Các mạch điện được lắp ráp cẩn thận theo sơ đồ thiết kế. Các thành phần được chọn dựa trên các yêu cầu và thông số kỹ thuật của chúng. Dữ liệu thử nghiệm được thu thập bằng cách sử dụng thiết bị phù hợp và được ghi lại để phân tích. Quy trình lắp ráp và thu thập dữ liệu được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

4.2. Phân Tích Kết Quả Chuyển Mạch Sáu Bước Và Đánh Giá Hiệu Quả Điều Khiển

Kết quả chuyển mạch sáu bước được phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống điều khiển. Kết quả cho thấy rằng hệ thống điều khiển có thể điều khiển hiệu quả PMSM và đạt được hiệu suất mong muốn. Các thử nghiệm cũng cung cấp những hiểu biết có giá trị về các đặc tính của hệ thống và các lĩnh vực có thể cải thiện. Phân tích bao gồm việc đánh giá các thông số như tốc độ, mô-men xoắn và hiệu suất.

4.3. Đánh Giá Ưu Nhược Điểm Của Giải Pháp Điều Khiển Đề Xuất

Hệ thống điều khiển PMSM được phát triển có một số ưu điểm, chẳng hạn như điều khiển hiệu quả, tốc độ, kích thước nhỏ gọn và tính linh hoạt. Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế, chẳng hạn như chi phí và độ phức tạp cao hơn. Đánh giá này cung cấp thông tin chi tiết về ưu điểm và nhược điểm của hệ thống điều khiển, cho phép so sánh với các phương pháp khác và xác định các lĩnh vực có thể cải thiện.

V. Kết Luận Tối Ưu Hóa Điều Khiển PMSM Cho Xe Điện Tương Lai

Luận văn này đã trình bày một nghiên cứu chuyên sâu về việc điều khiển và nâng cao hiệu suất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM). Nghiên cứu tập trung vào việc triển khai kỹ thuật chuyển mạch sáu bước và khám phá các phương pháp cải thiện tốc độ và hiệu quả điều khiển. Kết quả thu được cho thấy rằng hệ thống điều khiển được phát triển có thể điều khiển hiệu quả PMSM và đạt được hiệu suất mong muốn. Luận văn kết luận bằng cách nêu bật tiềm năng của PMSM trong các ứng dụng xe điện và đề xuất các lĩnh vực để nghiên cứu trong tương lai.

5.1. Tóm Tắt Những Thành Tựu Chính Trong Nghiên Cứu Điều Khiển PMSM

Luận văn này đã đạt được một số thành tựu chính trong lĩnh vực điều khiển PMSM. Chúng bao gồm việc triển khai thành công kỹ thuật chuyển mạch sáu bước, tinh chỉnh các hằng số điều khiển để cải thiện độ mượt, sử dụng mạch cầu H và Sine PWM để tăng tốc độ và đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển thông qua thử nghiệm. Những thành tựu này đóng góp vào sự hiểu biết và phát triển chung về công nghệ điều khiển PMSM.

5.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Để Tiếp Tục Tối Ưu Hóa

Mặc dù luận văn này đã cung cấp những hiểu biết có giá trị về việc điều khiển PMSM, nhưng vẫn còn những lĩnh vực cần nghiên cứu thêm. Chúng bao gồm việc khám phá các kỹ thuật điều khiển tiên tiến, chẳng hạn như FOC và DTC, phát triển các thuật toán điều khiển mạnh mẽ có thể thích ứng với các điều kiện hoạt động thay đổi, tối ưu hóa thiết kế hệ thống điều khiển để giảm chi phí và độ phức tạp, và nghiên cứu các ứng dụng mới của PMSM trong xe điện và các lĩnh vực khác.