Tìm Hiểu Phương Pháp Điều Khiển Vector Từ Thông FOC Trên MCU TMS320F28069 Với Động Cơ PMSM

Tài liệu nghiên cứu Tìm hiểu và thực thi phương pháp điều khiển vector từ thông foc trên mcu tms320f28069 với động cơ, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Nguyễn Minh Nhựt
• Người hướng dẫn: Giảng viên Hướng Dẫn
• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Phương Pháp Điều Khiển Vector Từ Thông FOC Trên MCU TMS320F28069 Với Động Cơ PMSM
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. HCM

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp điều khiển vector từ thông FOC

Phương pháp điều khiển vector từ thông (FOC) là một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất trong việc điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM). FOC cho phép điều khiển mô-men và từ thông một cách độc lập, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ. Việc áp dụng FOC trên vi điều khiển TMS320F28069 mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và hiệu suất tối ưu. Động cơ PMSM được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xe điện, robot công nghiệp và máy móc tự động hóa.

1.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp FOC

Phương pháp FOC hoạt động dựa trên việc chuyển đổi hệ tọa độ từ pha abc sang hệ tọa độ d-q. Điều này cho phép tách biệt mô-men và từ thông, từ đó điều khiển chúng một cách độc lập. Việc sử dụng các phép biến đổi Clark và Park là rất quan trọng trong quá trình này. FOC giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất của động cơ PMSM, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển chính xác.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng FOC trên TMS320F28069

Việc áp dụng phương pháp FOC trên vi điều khiển TMS320F28069 mang lại nhiều lợi ích như khả năng xử lý nhanh, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí. TMS320F28069 có khả năng thực hiện các phép toán phức tạp trong thời gian thực, giúp tối ưu hóa hiệu suất điều khiển động cơ. Hệ thống điều khiển này cũng dễ dàng tích hợp với các cảm biến và thiết bị ngoại vi khác.

II. Thách thức trong điều khiển động cơ PMSM

Mặc dù phương pháp FOC mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc điều khiển động cơ PMSM vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ trễ trong phản hồi, độ chính xác của cảm biến và sự phức tạp trong lập trình là những yếu tố cần được xem xét. Đặc biệt, việc tối ưu hóa hiệu suất điều khiển trong các điều kiện khác nhau là một thách thức lớn.

2.1. Độ trễ trong hệ thống điều khiển

Độ trễ trong hệ thống điều khiển có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ PMSM. Việc xử lý tín hiệu từ cảm biến và thực hiện các phép toán điều khiển cần được tối ưu hóa để giảm thiểu độ trễ. Sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến có thể giúp cải thiện tình trạng này.

2.2. Độ chính xác của cảm biến

Độ chính xác của cảm biến là yếu tố quan trọng trong việc điều khiển động cơ PMSM. Các cảm biến cần phải được hiệu chỉnh và bảo trì thường xuyên để đảm bảo độ chính xác trong việc đo lường dòng điện và từ thông. Việc sử dụng cảm biến chất lượng cao có thể giúp cải thiện độ chính xác của hệ thống.

III. Phương pháp điều khiển vector từ thông FOC trên TMS320F28069

Để thực hiện phương pháp điều khiển vector từ thông FOC trên vi điều khiển TMS320F28069, cần thiết lập một thuật toán điều khiển phù hợp. Việc lập trình trên Code Composer Studio IDE cho phép phát triển và kiểm tra các thuật toán điều khiển một cách hiệu quả. Các khối trong thư viện DMC được sử dụng để tối ưu hóa quá trình điều khiển.

3.1. Thiết lập thuật toán FOC

Thiết lập thuật toán FOC bao gồm việc xác định các tham số cần thiết như điện trở, điện cảm và từ thông của động cơ. Các phép biến đổi Clark và Park cũng cần được áp dụng để chuyển đổi tín hiệu từ pha abc sang hệ tọa độ d-q. Việc lập trình thuật toán này cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính chính xác và hiệu suất.

3.2. Chạy ứng dụng trên board HV kit TI

Sau khi thiết lập thuật toán, việc chạy ứng dụng trên board HV-kit TI là bước quan trọng để kiểm tra và đánh giá hiệu suất của hệ thống. Các kết quả thu được từ quá trình thử nghiệm sẽ giúp điều chỉnh và tối ưu hóa thuật toán điều khiển, từ đó nâng cao hiệu suất của động cơ PMSM.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp FOC

Phương pháp điều khiển vector từ thông FOC đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thực tiễn. Các ứng dụng nổi bật bao gồm xe điện, robot công nghiệp và các hệ thống tự động hóa. Việc sử dụng FOC giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong điều khiển động cơ, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của các hệ thống này.

4.1. Ứng dụng trong xe điện

Trong ngành công nghiệp xe điện, FOC được sử dụng để điều khiển động cơ PMSM, giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Các hãng xe lớn như Tesla và BMW đã áp dụng phương pháp này để nâng cao hiệu suất của các mẫu xe điện của họ.

4.2. Ứng dụng trong robot công nghiệp

Phương pháp FOC cũng được áp dụng trong các hệ thống robot công nghiệp, nơi yêu cầu độ chính xác cao trong điều khiển chuyển động. Việc sử dụng FOC giúp cải thiện khả năng điều khiển mô-men và tốc độ của động cơ, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của robot.

V. Kết luận và tương lai của phương pháp FOC

Phương pháp điều khiển vector từ thông FOC trên vi điều khiển TMS320F28069 đã chứng minh được hiệu quả trong việc điều khiển động cơ PMSM. Tương lai của phương pháp này hứa hẹn sẽ còn phát triển hơn nữa với sự tiến bộ của công nghệ vi điều khiển và các thuật toán điều khiển. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng ứng dụng của FOC trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ FOC

Xu hướng phát triển công nghệ FOC sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và hiệu suất của hệ thống điều khiển. Các nghiên cứu mới sẽ hướng đến việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh hơn, giúp tối ưu hóa hiệu suất trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

5.2. Tương lai của động cơ PMSM

Động cơ PMSM sẽ tiếp tục được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng. Việc áp dụng phương pháp FOC sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, từ đó đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của ngành điện tử công suất, các bộ biến đổi công suất ngày càng nhanh hơn, mạnh mẽ hơn. Mặt khác cùng với sự phát triển của các ngành điều khiển học, tin học đã tạo điều kiện dễ dàng cho việc ứng dụng chương trình số và toàn bộ hệ thống. Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu rất hợp với loại hình truyền động này. Loại máy này dần được ứng dụng vào hệ thống tự động, đòi hỏi sự đồng bộ tuyệt đối, nhất là những ứng dụng trong các máy công cụ, tàu điện hay các truyền động trực tiếp trong lĩnh vực tự động hóa.

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh (PMSM) đóng vai trò như trái tim của hệ thống, được dùng rất phổ biến trong các loại xe điện, các robot công nghiệp, máy in và máy dệt, máy công cụ điều khiển số, máy công cụ cho lắp ráp linh kiện điện tử, máy công trình hiện nay, và nhiều loại máy khác [1,2] Động cơ PMSM là loại động cơ có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các động cơ DC/AC không đồng bộ như: không cần chổi than, mật độ công suất lớn, momen xoắn cao, tốc độ quay cao, phát sinh rất ít nhiệt, tiết kiệm điện… Chính vì vậy mà PMSM được sử dụng phổ biến làm động cơ xe điện, tàu điện, robot, ổ cứng máy tính, hệ thống gia công CNC, trong y tế… Ưu điểm của PMSM nằm ở đặc tính công tác của nó. Nhưng nhược điểm lại nằm ở việc điều khiển. Các động cơ PMSM đòi hỏi phải có bộ điều khiển phức tạp. Nhược điểm này có thể khắc phục bằng nhiều giải thuật điều khiển.

Để đạt được hiệu quả điều khiển tối ưu, ngày càng nhiều phương pháp điều khiển phức tạp được thử nghiệm để điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Các vi điều khiển ngày nay ngày càng mạnh mẽ nên việc đưa vào chúng các giải thuật phức tạp không quá khó khăn nhưng vấn đề đặt ra là bộ nhớ hữu hạn. Cho nên, sử dụng các phép chuyển đổi toán học để chia độc lập hai thành phần là mô-men và từ thông của đối tượng điều khiển, ở đây là động cơ PMSM. Phương pháp đơn giản nhất là FOC – Field Oriented Control.

Xuất phát từ những nhu cầu thực tế và cũng như tính cấp thiết của vấn đề, nên tác giả quyết định thực hiện đề tài nghiên cứu: “ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG FOC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU”. Mục tiêu đề tài và phạm vi nghiên cứu của đề tài: Điều khiển từ thông (FOC – Field Oriented Control) được sử dụng chính trong các loại xe ô tô điện, xe scooter, …. Được các hãng xe lớn hoặc các nhà phân phối OEMs (original equipment manufacturer) như Bosch, Tesla, Baidu, Continential,… áp dụng. * Mục tiêu đề tài: Mục tiêu nghiên cứu trong luận văn là tìm hiểu, mô phỏng và ứng dụng phương pháp điều khiển FOC vào động cơ PMSM Để thực hiện được mục tiêu trên, mục tiêu chính của luận văn được đưa ra như sau: - Xây dựng bộ điều khiển từ thông FOC cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu PMSM - Viết chương trình mô phỏng Matlab và chương trình ứng dụng trên máy tính.

- Xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển FOC ứng dụng cho động cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cửu *Phương pháp thực hiện Để thực hiện đề tài này cần kết hợp thực hiện các phương pháp sau: +Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu các vấn đề điều khiển FOC của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và các phương pháp đã được nghiên cứu trước đây. +Phương pháp thực nghiệm: lập trình và nạp chương trình ứng dụng trên máy tính để điều khiển và ghi nhận các kết quả. 2 CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỮU 2. Giới thiệu chung về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM: 2.

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) Hình 2.1: Động Cơ ESTUN EMJ-04APB22 Dòng động cơ ESTUN EMJ được sản xuất trên công nghệ của Ý nên đáp ứng được đầy đủ tiêu chuẩn chất lượng để hoạt động được trong nhiều môi trường khác nhau. Đặc điểm: độ phân giải encoder cao, độ dài cáp kết nối linh hoạt, thiết kế nhỏ gọn, có vỏ chồng tràn dầu Ứng dụng của động cơ servo estun eml: bao bì, gỗ, nhựa, giấy, xi măng, bơm, quạt, cầu trục, nâng hạ… Bảng 1: Thông số động cơ ESTUN EMJ-04APB22 Thông số Động cơ ESTUN EMJ-04APB22 Công suất định mức 400W Dòng điện định mức 2.7 A Điện áp pha định mức 200 V Tốc độ định mức 3000 r/min Momen định mức 1.m Độ phân giải 10000 counts/rev Số cặp cực 4 Điện trở cuộn khởi động 2.7 Ω Điện cảm stator 8.5 mH Từ thông 0,3615 Wb 3 Quán tính 31.s/rad Ma sát tĩnh 0.m Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu mang lại cho chúng ta các lợi ích sau: - Năng lượng điện không bị tiêu tán bởi hệ thống kích từ, cho nên không có tổn hao dẫn đến tăng hiệu năng đáng kể. - Mo-men và công suất đầu ra cao trên mỗi đơn vị khối lượng so với kích thích điện từ. - Hiệu suất truyền động cao hơn do mật độ từ thông cao hơn trong khe hở không khí - Cấu trúc đơn giản, dễ bảo trì - Giảm chi phí phát sinh cho nhiều dòng máy do độ bền cao.

Phân loại PMSM Nhìn chung, phần lớn các động cơ PMSM hiện nay gồm stator ở phía ngoài với các dây dẫn và một rotor có nam châm vĩnh cửu. Theo cấu tạo rotor, các động cơ PMSM với một sức điện động ngược hình sine có thể được phân loại thành hai nhóm chính: PMSM cực lồi, PMSM có nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt rotor (SPMSM – Surface permanent magnet synchronous motor), và PMSM cực ẩn, động cơ PMSM cực chìm (IPMSM – Interior permanent magnet synchronous motor). Mặt cắt ngang của SPMSM điển hình được đưa ra như trong hình a. Nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của trục rotor, SPMSM có khe hở không khí phân bố đều.

Thuộc tính này làm cho điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục là bằng nhau. Kết quả là SPMSM chỉ tạo ra một mô-men từ. So với IPMSM, SPMSM gần như bị giới hạn khả năng tạo từ thông. Cấu hình rotor được gắn nam châm trên bề mặt sẽ đơn giản trong sản xuất và lắp đặt.

Tuy nhiên, các nam châm vĩnh cửu xuất hiện trực tiếp tại vùng phản kháng của phần ứng sẽ có nguy cơ bị từ khử. Do cấu trúc rotor gắn bề mặt, tốc độ quay của trục sẽ bị giới hạn để các nam châm vĩnh cửu tại bề mặt rotor chống lại ảnh hưởng của lực ly tâm. Do đó, SPMSM thường được dùng trong các ứng dụng tốc độ thấp ví dụ như hệ thống chuyển đổi năng lượng gió và các thiết bị trong nhà.1: Mặt cắt PMSM: SPMSM (a) và IPMSM (b) [6] Mặt cắt ngang điển hình của một IPMSM được đưa ra như trong hình b, các nam châm được đặt phía trong lõi sắt rotor, điều này giảm thiểu đáng kể nguy cơ từ hóa của các nam châm vĩnh cửu trong quá trình hoạt động. Do là rotor cực lồi, điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục là khác nhau.

Điều này làm xuất hiện đồng thời mô men của nam châm và mô men từ trở đều tham gia vào mô men tổng sinh ra trong động cơ IPMSM. Do đó, IPMSM được dùng nhiều trong trong các hệ thống xe điện hoặc hybrid do đặc điểm giảm từ thông lớn và có khả năng sinh mô-men cao. Bảng 2 : So sánh độ cơ SPMSM và IPMSM Surface PMSMs Interior PMSMs Cấu tạo động cơ đơn giản Cấu tạo tương đối phức tạp Mật độ từ thông nhỏ Mật độ từ thông lớn Thông lượng phần ứng nhỏ Thông lượng phần ứng lớn Không có bảo vệ chống lại từ trường Có bảo vệ chống lại từ trường phần phần ứng ứng Mô-men vừa Mô-men cao Giải tốc độ vừa Giải tốc độ cao 2. Ứng dụng của PMSM PMSM rất được quan tâm áp dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ như hệ thống điều khiển sức kéo bằng điện (electric traction drive systems-ETDS), trong các phương tiện chạy điện và trong các máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi (WECSs), trong các ứng dụng yêu cầu mật độ công suất và năng lượng cao trong cùng điều kiện khối lượng và kích thước.

Mỹ là quốc gia dẫn đầu về thị trường cho các phương tiện chạy điện tiên tiến , ví dụ như các phương tiện chạy điện và phối hợp điện-xăng (electric and hybrid electric 5 vehicles - EVs and HEVs), các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc giảm kích thước của các động cơ chạy xăng, Mỹ là nước phụ thuộc vào xăng dầu bên ngoài, và phát thải khí CO2 từ các phương tiện vận chuyển. Khi so sánh với các hệ thống truyền động sử dụng động cơ đốt trong thông thường, các hệ thống truyền động sử dụng điện có công suất đỉnh cao hơn, cải thiện hiệu suất động, có đặc tính mômen - tốc độ gần như lý tưởng, hiệu suất sử dụng năng lượng tốt hơn và giảm thiểu phát thải CO2. Tổng quát, motor động lực trong hệ thống truyền động điện được yêu cầu cung cấp một mô men xoắn lớn trong vùng tốc độ thấp (trong điều kiện khởi động) và dãy rộng có tốc độ cao và công suất không đổi. So sánh với các loại máy điện AC khác, PMSM có thể là thiết kế tốt để có một vùng vận tốc rộng hơn có công suất không đổi và hoạt động trong cả chế độ có mô men xoắn không đổi khi hoạt động dưới vận tốc cơ bản và chế độ công suất không đổi tại vận tốc trên định mức.

Hơn nữa, PMSM có mật độ công suất cao, mật độ mô men cao, hiệu suất cao, kích thước nên kích thước tổng cộng của hệ thống truyền động được giảm thiểu rất nhiều, đây là đặc điểm hấp dẫn trong ứng dụng phương tiện di chuyển. Hiện nay, phương tiện chạy điện trang bị PMSM đã được sản xuất hàng loạt, ví dụ như Toyota’s Prius, Tesla model S, Baidu, BMW, Audi,.2: Hệ thống điện cho phương tiện chạy điện và phối hợp điện-xăng Trong các loại máy phát điện khác nhau, PMSM đã được nhìn nhận là tốt hơn trong các ứng dụng WECS biến đổi công suất toàn bộ do ưu thế về hiệu quả sử dụng cao hơn, mật độ năng lượng cao hơn, chi phí bảo dưỡng thấp hơn, và tương thích lưới điện tốt hơn.