Nghiên Cứu Mô Hình Điều Khiển Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu Kết Hợp Điều Khiển Thông Minh

• Tác giả: Huỳnh Hồng Vũ
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phan Thanh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Mô Hình Điều Khiển Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu Kết Hợp Điều Khiển Thông Minh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của luận văn
• 1.2. Mục tiêu của luận văn
• 1.3. Phương pháp thực hiện luận văn
• 1.4. Ý nghĩa của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
• 2.1. Giới thiệu chung về động cơ đồng bộ
• 2.2. Mô hình toán học động cơ PMSM
• 2.3. Nguồn tương đương
• 2.4. Momen điện từ
• 2.5. Từ thông móc vòng
• 2.6. Mạch tương đương
• 3. CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PMSM
• 3.1. Hệ điều khiển dòng điện
• 3.2. Hệ điều khiển tốc độ
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ FUZZY-PI
• 4.1. Biến đầu vào và ra
• 5. CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM PSIM VÀ CÁC THƯ VIỆN LIÊN QUAN
• 5.1. Giới thiệu phần mềm Psim
• 5.2. Thư viện phần mềm Psim
• 6. CHƯƠNG 6: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ PMSM TRONG PSIM
• 6.1. Phần công suất
• 6.2. Phần điều khiển
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 7.1. Động cơ chạy không tải
• 7.2. Động cơ mang tải 0
• 7.3. Động cơ mang tải 1Nm
• 8. CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 8.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Động Cơ PMSM Ưu Điểm và Ứng Dụng Hiện Nay

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) đang ngày càng được ưa chuộng nhờ hiệu năng và hiệu quả cao. PMSM có đặc điểm nhỏ gọn, nhẹ và hiệu quả hơn so với các động cơ không đồng bộ, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi sự chính xác và tiết kiệm năng lượng. Ưu điểm nổi bật bao gồm: Tiết kiệm năng lượng (30-50%), ít bảo trì (không chổi than), kích thước nhỏ, độ rung và tiếng ồn thấp, tỏa nhiệt ít. Tuy nhiên, giá thành cao và giới hạn nhiệt độ làm việc là những nhược điểm cần cân nhắc. Ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: Đường sắt cao tốc (ví dụ: Metro Bến Thành - Suối Tiên), máy nén khí trong điều hòa không khí (ví dụ: các dòng máy Inverter của Panasonic, Toshiba, Samsung), máy giặt, tủ lạnh và ô tô (Vivic, Prius, Mercedes-Benz S Class Hybrid).

1.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu

Động cơ PMSM mang lại nhiều lợi ích so với các loại động cơ khác. Tiết kiệm năng lượng là một ưu điểm lớn, giảm đáng kể chi phí vận hành. Việc không sử dụng chổi than giúp giảm thiểu bảo trì và tăng tuổi thọ. Kích thước nhỏ gọn cho phép tích hợp vào các thiết bị nhỏ hơn và nhẹ hơn. Độ rung và tiếng ồn thấp tạo ra môi trường làm việc thoải mái hơn. Cuối cùng, tỏa nhiệt ít làm giảm nguy cơ cháy nổ.

1.2. Các Ứng Dụng Tiêu Biểu Của Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu

Ứng dụng của PMSM trải rộng trên nhiều lĩnh vực. Trong giao thông vận tải, chúng được sử dụng trong đường sắt cao tốc. Trong gia dụng, chúng xuất hiện trong máy điều hòa, máy giặt và tủ lạnh. Trong công nghiệp ô tô, động cơ PMSM được dùng trong máy bơm và máy nén điều hòa. Các ưu điểm như hiệu suất cao và mô-men xoắn tốt ở tốc độ thấp khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng.

II. Phân Tích Mô Hình Toán Học Động Cơ PMSM Nguồn và Momen

Mô hình toán học là nền tảng để hiểu và điều khiển động cơ PMSM. Việc phân tích nguồn tương đương và momen điện từ là rất quan trọng. Công suất đầu vào tức thời cho máy ba pha được biểu diễn qua năng lượng đầu vào cho máy hai pha. Momen điện từ, biến đầu ra quan trọng nhất, xác định động lực cơ khí của máy như vị trí rotor và tốc độ. Nó xuất phát từ phương trình matrận máy và liên quan đến công suất đầu vào, tổn thất điện trở, công suất cơ học và năng lượng từ trường tích lũy.

2.1. Xây Dựng Nguồn Tương Đương Cho Động Cơ Đồng Bộ PMSM

Việc biểu diễn công suất đầu vào cho máy ba pha thông qua máy hai pha đơn giản hóa việc phân tích và mô phỏng. Công suất đầu vào tức thời (pi) liên quan đến điện áp và dòng điện pha. Các dòng và điện áp pha được chuyển đổi thành dạng tương đương, cho phép tính toán công suất đầu vào trong các biến dq0. Đối với máy ba pha không có thứ tự dòng điện, công suất đầu vào có thể được thu gọn.

2.2. Phân Tích Momen Điện Từ Của Động Cơ PMSM Cơ Sở Lý Thuyết

Momen điện từ là biến đầu ra then chốt trong điều khiển động cơ PMSM. Nó được tạo ra từ sự tương tác giữa từ trường quay của stator và từ trường của nam châm vĩnh cửu trên rotor. Phương trình động học của PMSM liên kết điện áp, dòng điện, điện trở, cuộn cảm, và tốc độ rotor. Momen điện từ tỷ lệ với tích của dòng điện và từ thông, thể hiện sự chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ.

2.3. Ảnh Hưởng Của Từ Thông Móc Vòng Đến Mô Hình Toán Học PMSM

Các phương trình động lực của PMSM trong hệ tọa độ rotor có thể được thể hiện bằng cách sử dụng các từ thông móc vòng như các biến. Ngay cả khi điện áp và dòng là không liên tục thì các từ thông móc vòng vẫn liên tục. Điều này tạo thuận lợi phân biệt các biến số có sự ổn định.

III. Phương Pháp Điều Khiển Vector FOC Cho Động Cơ PMSM

Phương pháp điều khiển vector (FOC), còn gọi là điều khiển định hướng từ trường, là một kỹ thuật điều khiển cao cấp cho động cơ PMSM. Mục tiêu là điều khiển độc lập dòng điện từ hóa và dòng điện momen, tương tự như điều khiển động cơ DC. FOC đạt được bằng cách sử dụng các phép biến đổi tọa độ (Park và Clarke) để chuyển đổi các biến ba pha sang hệ tọa độ dq0, cho phép điều khiển trực tiếp dòng điện trên trục d (từ hóa) và trục q (momen).

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Điều Khiển Vector FOC Cho PMSM

Điều khiển vector (FOC) hoạt động bằng cách điều khiển dòng điện stator theo hai thành phần trực giao: dòng điện từ hóa (Id) và dòng điện tạo momen (Iq). Bằng cách điều khiển độc lập hai thành phần này, có thể đạt được điều khiển tốc độ và momen chính xác. Các phép biến đổi tọa độ Park và Clarke đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi giữa hệ tọa độ ba pha abc và hệ tọa độ hai pha dq0.

3.2. Các Khối Chức Năng Chính Trong Hệ Thống Điều Khiển FOC

Hệ thống điều khiển FOC bao gồm nhiều khối chức năng quan trọng. Các khối chuyển đổi tọa độ (Park và Clarke) chuyển đổi giữa các hệ tọa độ khác nhau. Bộ điều khiển dòng điện (thường là PID) điều khiển dòng điện Id và Iq. Bộ điều chế độ rộng xung (PWM) tạo ra tín hiệu điều khiển cho bộ biến tần. Ngoài ra, các khối tính toán tốc độ và vị trí cũng cần thiết.

3.3. Ưu Điểm Của Phương Pháp Điều Khiển Vector FOC So Với Các Phương Pháp Khác

FOC mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp điều khiển truyền thống. Khả năng điều khiển chính xác tốc độ và momen là một ưu điểm lớn. Đáp ứng nhanh và dải tốc độ rộng cũng là những lợi thế. Ngoài ra, FOC có thể giảm thiểu dao động momen và cải thiện hiệu suất.

IV. So Sánh Điều Khiển PI và Fuzzy PI Cho Động Cơ Đồng Bộ PMSM

Điều khiển PI (tỷ lệ - tích phân) và Fuzzy-PI là hai phương pháp phổ biến để điều khiển tốc độ động cơ. Điều khiển PI đơn giản và dễ triển khai, nhưng hiệu suất có thể bị giới hạn trong các hệ thống phi tuyến hoặc có nhiễu. Điều khiển Fuzzy-PI kết hợp ưu điểm của điều khiển mờ và điều khiển PI, có khả năng thích ứng tốt hơn với các điều kiện thay đổi.

4.1. Thiết Kế Bộ Điều Khiển PI Cho Hệ Thống Điều Khiển Tốc Độ PMSM

Thiết kế bộ điều khiển PI yêu cầu điều chỉnh các tham số tỷ lệ (Kp) và tích phân (Ki) để đạt được đáp ứng mong muốn. Kp ảnh hưởng đến tốc độ đáp ứng và độ ổn định, trong khi Ki ảnh hưởng đến sai số tĩnh. Quá trình điều chỉnh có thể được thực hiện bằng các phương pháp thử và sai hoặc các phương pháp tối ưu hóa.

4.2. Ứng Dụng Logic Mờ Fuzzy Logic Để Cải Thiện Điều Khiển PI Cho PMSM

Logic mờ có thể được sử dụng để tự động điều chỉnh các tham số Kp và Ki của bộ điều khiển PI, tạo thành bộ điều khiển Fuzzy-PI. Điều này cho phép hệ thống thích ứng với các thay đổi trong điều kiện hoạt động và cải thiện hiệu suất. Quá trình thiết kế bao gồm xác định các biến ngôn ngữ, xây dựng luật mờ và giải mờ.

4.3. Đánh Giá Hiệu Suất Của PI và Fuzzy PI Trong Mô Phỏng Động Cơ PMSM

Để so sánh hiệu suất của PI và Fuzzy-PI, cần thực hiện mô phỏng trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Các tiêu chí đánh giá bao gồm thời gian đáp ứng, độ quá điều chỉnh, sai số tĩnh và khả năng chống nhiễu. Kết quả mô phỏng sẽ cho thấy ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp.

V. Mô Phỏng Động Cơ PMSM Bằng Phần Mềm PSIM Hướng Dẫn Chi Tiết

Phần mềm PSIM là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng các hệ thống điện và điện tử. Nó cung cấp các thư viện linh kiện phong phú và giao diện thân thiện, cho phép xây dựng và mô phỏng các mô hình động cơ PMSM một cách dễ dàng. Quá trình mô phỏng bao gồm xây dựng mô hình phần cứng (động cơ, bộ biến tần), mô hình điều khiển (FOC, PI, Fuzzy-PI) và chạy mô phỏng để phân tích kết quả.

5.1. Các Bước Xây Dựng Mô Hình Động Cơ PMSM Trong PSIM

Việc xây dựng mô hình động cơ PMSM trong PSIM bao gồm các bước sau: Chọn các linh kiện cần thiết từ thư viện (động cơ, bộ biến tần, cảm biến). Kết nối các linh kiện theo sơ đồ mạch điện. Cài đặt các thông số cho từng linh kiện. Xây dựng mô hình điều khiển (FOC, PI, Fuzzy-PI).

5.2. Sử Dụng Thư Viện Linh Kiện và Khối Chức Năng Trong PSIM

PSIM cung cấp một loạt các thư viện linh kiện và khối chức năng giúp đơn giản hóa quá trình mô phỏng. Các thư viện bao gồm các linh kiện thụ động (điện trở, tụ điện, cuộn cảm), linh kiện bán dẫn (diode, transistor, IGBT), động cơ và bộ biến tần. Các khối chức năng bao gồm các phép toán số học, logic, và các khối điều khiển.

5.3. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Suất Hệ Thống PMSM

Sau khi chạy mô phỏng, cần phân tích kết quả để đánh giá hiệu suất hệ thống. Các thông số cần quan tâm bao gồm tốc độ, momen, dòng điện, và điện áp. Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để điều chỉnh các tham số điều khiển và cải thiện hiệu suất hệ thống.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Về Điều Khiển PMSM

Nghiên cứu về điều khiển động cơ PMSM vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm: Phát triển các phương pháp điều khiển thích nghi và tối ưu. Nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển sensorless để giảm chi phí và tăng độ tin cậy. Ứng dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) để cải thiện hiệu suất điều khiển. Khám phá các ứng dụng mới của động cơ PMSM trong các lĩnh vực như xe điện và robot.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính Về Điều Khiển PMSM

Các kết quả nghiên cứu chính về điều khiển PMSM bao gồm: Phát triển các phương pháp điều khiển vector (FOC) cho hiệu suất cao. Nghiên cứu các phương pháp điều khiển PI và Fuzzy-PI để điều khiển tốc độ và momen. Ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa để điều chỉnh tham số điều khiển.

6.2. Các Hướng Nghiên Cứu Mới Trong Lĩnh Vực Điều Khiển Động Cơ PMSM

Các hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực điều khiển động cơ PMSM bao gồm: Phát triển các phương pháp điều khiển sensorless để giảm chi phí và tăng độ tin cậy. Ứng dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) để cải thiện hiệu suất điều khiển. Nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển tiên tiến như điều khiển dự đoán mô hình (MPC).

6.3. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Động Cơ PMSM Trong Tương Lai

Động cơ PMSM có nhiều ứng dụng tiềm năng trong tương lai, đặc biệt trong các lĩnh vực như xe điện, robot, và năng lượng tái tạo. Hiệu suất cao và khả năng điều khiển chính xác khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng này.