Đặt vấn đề Lĩnh vực điều khiển truyền động điện đã được mở rộng nhanh chóng trong những năm gần đây, chủ yếu nhờ những thành tựu về công nghệ chất bán dẫn cho cả điện tử công suất và xử lý tín hiệu. Những cải tiến về công nghệ đã mở đường cho những thiết kế truyền động thực sự hiệu quả. Các thuật toán điều khiển truyền động trở nên chính xác và mạnh mẽ hơn bao giờ hết. Các động cơ AC được điều khiển bằng vector phát triển đáng kể từ những thành tựu này [1].
Như đã biết, động cơ xoay chiều điều khiển vectơ có được hầu hết mọi ưu điểm của động cơ một chiều điều khiển bằng bộ biến đổi mà lại loại bỏ được chuyển mạch cơ khí (chổi than và cổ góp). Mặt khác, cấu trúc điều khiển này mang lại hiệu suất cao bằng cách đạt được trạng thái ổn định tốt hơn [1,6]. Điều khiển động cơ thông thường sử dụng vi điều khiển hoặc chip xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) để thực hiện tất cả các thuật toán [2-6]. Chúng có một số ưu điểm, chẳng hạn như dễ lập trình và khả năng cung cấp bộ điều chế độ rộng xung (PWM).
Tuy nhiên, chúng phải thực hiện tất cả các thuật toán theo trình tự tuần tự, do đó giới hạn tốc độ tính toán của thuật toán. Để giải quyết vấn đề này, hiện nay, cách tiếp cận đa CPU được sử dụng trong một số ứng dụng. Điều này tất yếu dẫn đến việc điều khiển phức tạp và tăng chi phí. Ngày nay, Mảng cổng lập trình hiện trường (FPGA) đã được sử dụng rộng rãi như một thành phần quan trọng trong việc triển khai các bộ xử lý hiệu suất cao.
Tốc độ, kích thước, số lượng đầu vào và đầu ra của FPGA hiện vượt xa tốc độ của bộ vi xử lý hoặc bộ xử lý DSP. FPGA là lựa chọn lý tưởng để tạo ra các bộ xử lý hiệu suất cao với khả năng triển khai các kiến trúc số học song song cao [8]. Mặc dù công nghệ của bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) có sẵn cho các ứng dụng điều khiển động cơ xoay chiều kỹ thuật số [3], nhưng việc sử dụng ASIC và FPGA trong điều khiển động cơ và các ứng dụng khác trở nên phổ biến nhờ các thành tựu trong mạch tích hợp chuyên dụng (ASIC) và mảng cổng lập trình trường (FPGA) [7][10][18][20]. Ban đầu, FPGA được giới thiệu vào năm 1984 chỉ cung cấp giao diện ngoại vi cho các bộ xử lý chính.
Nhưng hiện nay chúng bắt đầu được sử dụng trong các nhiệm vụ khác 6 nhau, từ bộ điều khiển chính trong các ứng dụng điều khiển động cơ, đến điều khiển toàn bộ hệ thống [10][11]56][59]. Trong lĩnh vực điều khiển hiệu suất cao, việc sử dụng công nghệ thực thi phần cứng dựa trên FPGA đã trở thành một phương pháp thiết kế mới được ưa chuộng [15]. So với việc sử dụng công nghệ DSP, phương pháp này cung cấp khả năng linh hoạt và hiệu suất cao hơn và không làm cạn kiệt tài nguyên của CPU. FPGA chỉ là một tập hợp các ô tiêu chuẩn không có chức năng cụ thể nào, nhưng do có thể lập trình trường và tái sử dụng các lõi IP, người dùng có thể thiết kế ASIC theo sơ đồ của họ với các công cụ định tuyến và định vị chuyên nghiệp trong thời gian ngắn nhất [77].
Việc sử dụng FPGA cho phép hệ thống đạt được mức tốc độ và độ chính xác cao hơn bằng cách thực hiện xử lý song song bằng chế độ phần cứng mà không chiếm dụng nhiều bộ nhớ CPU [24-25]. Hiện nay các thiết bị van bán dẫn băng thông rộng phát triển nhanh chóng dựa trên công nghệ GaN và SiC mang lại tiềm năng cải thiện mật độ công suất của các hệ thống chuyển đổi công suất [15][45][74]. So với phần tử Silic tương đương, GaN cung cấp điện trở thấp hơn và tốc độ chuyển mạch cao hơn trong cùng điều kiện hoạt động. Trong lĩnh vực điều khiển động cơ, các thiết bị dựa trên Si gặp phải các vấn đề về điều khiển tần số chuyển mạch thấp.
Hơn nữa, xu hướng thu nhỏ các động cơ được sử dụng trong máy bay điện và các loại máy móc trong tương lai đang dẫn đến việc sử dụng các động cơ quay tốc độ cao 10. Để tận dụng hết tần số đóng cắt cao của thiết bị GaN trong điều khiển động cơ, cần phải tăng tần số điều khiển dòng điện và FPGA đáp ứng được vấn đề này [15][74]. Để giải quyết những vấn đề trên, nếu FPGA có CPU tích hợp, tất cả các bộ điều khiển này có thể thực hiện chỉ với một chip duy nhất, dẫn đến một hệ thống trên chip (SoC) thực, đây là xu hướng quan trọng của thiết kế tích hợp điều khiển truyền động hiệu suất cao [10][29][69]. Điều này giúp tăng hiệu suất và giảm chi phí cho hệ thống điều khiển chuyển động, đồng thời tăng tính linh hoạt trong thiết kế và phát triển sản phẩm.
Để đạt được mục đích nghiên cứu, đầu tiên tác giả tổng quát các phương pháp, cấu trúc điều khiển và đánh giá những vấn đề còn tồn tại, từ đó đề xuất giải pháp thiết kế phát triển CHIP cho mạch vòng dòng stator, mạch vòng tốc độ và đề xuất giải pháp thiết kế chip điều khiển phù hợp cho hệ truyền động động cơ xoay chiều ba pha dựa 7 trên nền tảng FPGA. Tính đúng đắn của kết quả nghiên cứu lý thuyết được minh chứng qua mô phỏng offline và mô phỏng thời gian thực HIL. Giải pháp thiết kế bộ điều khiển dòng điện Động cơ xoay chiều ba pha có cấu trúc phức tạp và đã gây khó khăn đáng kể cho việc mô tả toán học đặc điểm tách kênh để có thể điều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông (dòng điện mạch kích từ) và dòng tạo mômen quay (dòng mạch điện phần ứng). Phương pháp tựa từ thông rotor tạo ra một công cụ cho phép tách các thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo mômen quay từ dòng điện xoay chiều 3 pha chảy trong cuộn dây stator của động cơ.
Hệ truyền động điều khiển theo phương pháp tựa từ thông rotor chính là hệ hoạt động dựa trên nguyên tắc điều khiển riêng rẽ các thành phần dòng kể trên nhờ mạch vòng điều chỉnh dòng stator. Phương thức điều khiển tựa từ thông rotor thuộc lớp các phương pháp điều khiển vector đối với máy điện [1].1 Mô hình toán học động cơ xoay chiều ba pha 1.1 Mô hình toán học của động cơ KĐB-RLS Động cơ KĐB-RLS được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân bậc cao. Theo tài liệu [1] mô hình mô tả động cơ KĐB-RLS trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor như sau: disd 1 1−σ 1−σ / 1−σ 1 = − + isd + ωs isq + ψ rd + ωrψ rq/ + usd dt σ T s σ Tr σ Tr σ σ Ls di 1 sq = 1−σ 1−σ 1−σ / 1 −ωs isd − + isq − ωrψ rd/ + ψ rq + u dt σ Ts σ Tr σ σ Tr σ Ls sq (1.1) dψ rd 1 / 1 / dt = T isd − T ψ rd + (ωs − ω )ψ rq / r r dψ rq 1 / 1 = isq − (ωs − ω )ψ rd/ − ψ rq/ dt Tr Tr Trong đó: L i L i ωs =ωr + ω ;ωr =m sq ;ωs =m sq + ω Tr ψ rd Tr ψ rd m = 3 z Lm ψ i M 2 p Lr rd sq 8 Từ mô hình toán học (1.1), cấu trúc mô hình điều khiển động cơ KĐB được biểu diễn như hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của ĐCKĐB-RLS điều khiển kiểu theo nguyên lý tựa theo từ thông rotor.2 Mô hình toán học của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Theo tài liệu [1] mô hình mô tả động cơ ĐB-KTVC trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor như sau: disd 1 Lsq 1 dt = - T isd + ωs L isq + L usd sd sd sd disq L 1 1 ψ = -ωs sd isd - isq + usq - ωs p dt Lsq Tsq Lsq Lsq (1.2) ψp im = + isd Lsd dω z = kimisq - p mL dt J Vì trục d của hệ tọa độ trùng với trục của từ thông cực, thành phần vuông góc (thành phần trục q ) của ψ pf sẽ bằng không. Vậy là, vector từ thông chỉ có duy nhất thành phần thực.3) Phương trình các thành phần từ thông: 9 ψ sd = Lsd isd +ψ p (1.4) ψ sq =Lsq isq Thay hai phương trình vào sẽ thu được: disd usd = Rs isd + Lsd dt - ωs Lsq isq (1.5) u = R i + L disq + ω L i + ω ψ sq s sq sq dt s sd sd s p Phương trình mômen tổng quát của máy điện từ trường quay 3 mM = pc ψ s ×is sign(sinφs ) (1.6) 2 Do khi xây dựng hệ thống điều khiển tựa từ thông rotor trong vùng dưới tốc độ định mức, để không có thành phần dòng điện tạo từ thông mà chỉ có thành phần dòng điện tạo mômen quay, cần phải điều khiển vector dòng is sao cho vector dòng đứng vuông góc với vectơ từ thông cực.
Vì vậy isd = 0 , từ đây thu được phương trình mômen: 3 mM = pcψ pisq (1.7) 2 Chuyển sang miền ảnh Laplace, ta được: usd = Rs .2 Sơ đồ cấu trúc của ĐCĐB-KTVC điều khiển kiểu nguyên lý tựa theo từ thông rotor Theo [1] cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor như hình 1.2, kết hợp với mô hình trạng thái (1.2), ta có một vài nhận xét: • Vòng điều khiển dòng stator của cả hai loại động cơ có cấu trúc tương tự nhau. • Bộ điều khiển dòng điện stator phải đảm nhận vai trò cấp tín hiệu chuẩn cho khâu điều chế điện áp, nên phải đảm bảo 3 yêu cầu: nhanh, chính xác và không xen kênh. Khi bộ điều khiển dòng điện stator đã có đáp ứng nhanh (sau 2 chu kỳ trích mẫu), mô hình trạng thái của hai động cơ được hạ bậc (bậc 2) như (1.2), lúc này, mô hình trạng thái động cơ khi bộ điều khiển dòng điện stator kết hợp với nghịch lưu nguồn áp thì động cơ coi như được nuôi bởi nguồn dòng, dẫn đến đơn giản hóa việc tính toán bộ điều khiển và cài đặt biến tần đơn giản hơn. - ĐCKĐB-RLS: dim 1 1 = - i + isd dt T m T (1.