Chương 1 trình bày tổng quan về động cơ điện trong hệ truyền động điện và xu hướng phát triển trên thế giới, sau đó đi trình bày lý thuyết về mô hình toán học động cơ, các phép biến đổi hệ tọa độ, phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor (FOC – Field Oriented Control), và lý thuyết về phương pháp điều chế vec-tơ không gian (SVM - Space Vector Modulation) ứng dụng cho điều khiển động cơ 3 pha. Chương 2 trình bày chi tiết về mô hình hóa và thiết kế cấu trúc điều khiển theo phương pháp tựa từ thông rotor FOC cho động cơ PMSM cũng như xác định tham số của bộ điều khiển. Chương này cũng trình bày quy trình kỹ thuật để thiết kế mô-đun công suất và phần mềm nhúng trên nền tảng DSP TI TMS320F2800157D cho việc điều khiển động cơ PMSM. Chương 3 đưa ra các kết quả thực nghiệm nhằm kiểm chứng đánh giá hoạt động của mô-đun điều khiển động cơ đã thiết kế, từ đó đưa ra những khuyến nghị và đề xuất cần thiết.
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 Tổng quan chung về các loại động cơ điện Động cơ điện Động cơ 1 Động cơ Động cơ Động cơ từ trở chiều không đồng bộ đồng bộ chuyển mạch Động cơ đồng bộ Động cơ từ trở nam châm vĩnh cửu đồng bộ Sức phản điện động Sức phản điện động hình sin hình thang (BLDC) Cực lồi (SPM) Cực ẩn (IPM) Hình 1-1 Phân loại các loại động cơ điện [1], [2] Động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau, xuất hiện trong các hệ truyền động trong công nghiệp, phương tiện di chuyển, và ngay cả trong các thiết bị gia dụng. Tùy vào từng ứng dụng, các loại động cơ điện khác nhau được lựa chọn sử dụng, phân loại các động cơ điện đang có trên thị trường thể hiện trong Hình 1-1: Động cơ 1 chiều (Direct Current electric motor - DC): Động cơ một chiều DC là loại động cơ điện cơ bản nhất, xuất hiện và được sử dụng sớm nhất. Cấu tạo động cơ DC gồm phần cảm tạo từ trường (kích từ) bằng nam châm vĩnh 4 cửu hoặc cuộn dây kích từ, và phần ứng là cuộn dây, chổi thanh và cổ góp có tác dụng truyền dẫn điện từ nguồn cấp đến cực từ và động cơ. Động cơ 1 chiều dễ điều khiển và có momen khởi động lớn, tuy nhiên động cơ 1 chiều có hiệu suất và tuổi thọ thấp (hư hạo kết cấu cơ khí chổi than – cổ góp).
Hiện nay động cơ một chiều được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản, công suất thấp và ưu tiên về momen như máy khoan, xe điện du lịch trong các khu du lịch… Động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM): Động cơ không đồng bộ là động cơ hoạt động với điện áp xoay chiều (1 pha, 3 pha), trong đó tốc độ của rotor chậm hơn tốc độ quay của từ trường stator. So với động cơ 1 chiều, động cơ xoay chiều nói chung hay động cơ không đồng bộ nói riêng có hiêu suất cao hơn, ít kết cấu cơ khí phức tạp giúp cho giá thành cũng như tuổi thọ, chi phí bảo trì sửa chữa thay thế thấp hơn động cơ 1 chiều. Rotor của động cơ không đồng bộ có cấu tạo kết cấu rotor lồng sóc hoặc rotor dây quấn, điều này làm tăng tổn thất và giảm hiệu suất của động cơ không đồng bộ so với động cơ đồng bộ. Tuy nhiên nhờ giá thành rẻ và bảo trì đơn giản hơn nên động cơ không đồng bộ vẫn được ứng dụng rộng rãi từ các ứng dụng dân dụng như máy giặt, máy bơm nước… đến các ứng dụng đòi hỏi công suất lớn như máy phát điện, thang máy, phương tiện vận tải… Động cơ từ trở chuyển mạch (Switched Reluctance Motor – SRM): Đây là loại động cơ xoay chiều hoạt động sinh momen dựa trên sự chuyển mạch giữa các pha và sự thay đổi của từ trở trong mạch từ.
Đây là loại động cơ có cấu tạo đơn giản, rotor cấu tạo từ các lá thép ghép lại (không sử dụng nam châm vĩnh cửu hay cuộn dây) nên có dải nhiệt độ hoạt động rộng, hiệu suất cao. Bên cạnh đó, động cơ từ trở chuyển mạch còn có khả năng hoạt động ở vùng tốc độ cao và vùng momen không đổi rộng [3]. Tuy nhiên, chất lượng đáp ứng momen của động loại động cơ này còn hạn chế - đập mạch momen lớn, khi hoạt động phát ra tiếng ồn lớn nên phạm vi ứng dụng còn hạn chế. Hiện động cơ từ trở chuyển mạch được ứng dụng trong chế tạo máy phát khởi động cho máy bay, động cơ tàu ngầm… 5 Động cơ xoay chiều đồng bộ: Động cơ hoạt động với tốc độ quay rotor đồng bộ với tốc độ quay của từ trường.
Dựa trên phân loại Hình 1-1 thấy rằng động cơ đồng bộ có 2 nhánh chính là động cơ từ trở đồng bộ và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Động cơ từ trở đồng bộ hoạt động dựa trên sự không bằng nhau của từ trở mạch từ, nhược điểm về đáp ứng momen tương tự như động cơ từ trở chuyển mạch nên ít được sử dụng hiện nay. Trái lại, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor – PMSM) được sử dụng phổ biến hơn cả hiện nay. Động cơ PMSM kích từ bằng nam châm vĩnh cửu ở rotor thay vì kích từ bằng cuộn dây, vì vậy giảm được tổn thất, tăng hiệu suất, và dễ dàng điều khiển hơn với độ chính xác cao.
Động cơ PMSM hiện được ứng dụng chủ yếu trong các hệ truyền động yêu cầu điều khiển chính xác vị trí trong công nghiệp, dân sự và quân sự; các ứng dụng di chuyển phổ biến như xe máy điện (động cơ BLDC), ô tô điện (phổ biến là động cơ 3 pha xoay chiều đồng bộ cực ẩn)… 1.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM a) Động cơ SPMSM b) Động cơ IPMSM nam châm cuộn dây stator Hình 1-2 Cấu tạo động cơ SPMSM (a) và IPMSM (b) [4] Như đã trình bày ở trên, động cơ PMSM được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu thay vì cuộn dây cho nhiều ưu điểm vượt trội hơn động cơ một chiều hay động 6 cơ không đồng bộ, được sử dụng cho các ứng dụng ở mọi giải công suất từ nhỏ đến lớn. Tùy thuộc vào cấu tạo cựu từ và cách quấn dây stator mà động cơ PMSM có thể có sức điện động hình sin hoặc sức điện động hình thang (động cơ BLDC – Brushless Direct Current motor, động cơ một chiều không chổi than). Động cơ PMSM sức điện động hình sin thường được sử dụng trong các hệ truyền động Servo điều khiển chính xác vị trí hoặc các ứng dụng công suất rất lớn (như ô tô điện), trong khi đó động cơ BLDC hay được dùng trong các thiết bị gia dụng hoặc xe máy điện. Trong động cơ PMSM, các cuộn dây stator được đặt cách nhau 1 góc đảm bảo 3 điện áp pha lệch nhau 120o điện, cực từ nam châm vĩnh cửu phân bố ở bề mặt rotor (SPMSM – Surface-mounted PMSM, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi) hoặc phía trong rotor (IPMSM – Interior PMSM, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn), cấu tạo từng loại động cơ minh họa trong Hình 1-2.
Với động cơ SPMSM (Hình 1-2a), các cực từ phân bố đều ở mặt ngoài rotor thực hiện bằng cách dán nam châm lên bề mặt rotor, vì vậy để đảm bảo độ bền về mặt cơ học, động cơ SPMSM được dùng trong các ứng dụng có giải tốc độ hoạt động không cao. Ngoài ra, với cấu trúc cực từ phân bố đều trên bề mặt cho giá trị từ trở giống nhau ở trục d và trục q nên động cơ SPMSM có giá trị điện cảm trục d (𝐿𝑑 ) và q (𝐿𝑞 ) là tương đương [5]. Với động cơ IPMSM (Hình 1-2b), cực từ được cài chìm trong rotor của động cơ, vì vật độ bền về mặt cơ học cao hơn SPMSM, giúp cho động cơ có thể hoạt động ở tốc độ cao. Động cơ IPMSM có sự khác nhau giữa điện cảm 2 trục d-q, cụ thể 𝐿𝑑 < 𝐿𝑞 [5] nên có thể tận dụng momen phản ứng phần ứng nhằm tăng hiệu suất hoạt động của động cơ.3 Mô hình hóa và điều khiển động cơ 3 pha đồng bộ nam châm vĩnh cửu áp dụng phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor 1.1 Cấu hình hệ thống Hình 1-3 trình bày cấu hình tổng quan hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dựa trên phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor với 2 bộ điều 7 khiển tốc độ và dòng điện.
Động cơ PMSM được điều khiển thông qua bộ nghịch lưu 3 pha bằng phương pháp điều chế vector không gian SV-PWM (Space Vector Pulse Width Modulation). Tốc độ thực đo thông qua encoder/resolver/cảm biến hall phản hồi về bộ điều khiển tốc độ để tính toán ra dòng điện đặt cho bộ điều khiển dòng điện. Dòng điện 3 pha được đo và thông qua phép biến đổi Park-Clarke ước lượng ra dòng điện d-q phản hồi về bộ điều khiển dòng điện. Cuối cùng, điện áp tham chiếu d-q qua phép biến đổi Park ngược sẽ thu được điện áp 2 trục 𝛼 − 𝛽 để làm đầu vào thực hiện điều chế vector không gian và đưa ra các xung điều khiển đóng/mở van bán dẫn của bộ nghịch lưu.
Current controller Speed controller 0 inv = R Park SV PWM R ~ Park- Clark encoder PMSM Hình 1-3 Cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dựa trên phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor [6] 1.2 Phép biến đổi hệ trục tọa độ Park-Clarke Phép biến đổi Clarke Hệ trục tọa độ xoay chiều 3 pha gồm 3 trục a-b-c lệch nhau góc 120o, vì vậy tín hiệu 𝑥(𝑡) bất kì trong hệ tọa độ abc gồm 3 thành phành theo từng pha là 𝒙(𝑡 ) = {𝑥𝑎 , 𝑥𝑏 , 𝑥𝑐 }. Trong việc phân tích và thiết kế điều khiển hệ thống, việc làm việc trực tiếp trên hệ tọa độ 3 chiều thường rất phức tạp và không dễ dàng. Để khắc phục vấn đề này, phép chuyển hệ tọa độ Clarke được sử dụng để đưa từ tín hiệu 3 pha xoay chiều về 2 chiều.