Luận văn thạc sĩ hcmute thiết kế bộ quan sát trượt trong điều khiển vận tốc động cơ pmsm không cảm biến

Luận văn thạc sĩ HCMUTE trình bày thiết kế bộ quan sát trượt cho điều khiển vận tốc động cơ PMSM không cảm biến, mang lại hiệu quả cao.

• Tác giả: Nguyễn Duy Quang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Nhân Bổn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Quan Sát Trượt Cho Điều Khiển Vận Tốc Động Cơ PMSM Không Cảm Biến
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Mục tiêu của luận văn
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.5. Bố cục luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ PMSM
• 2.1. Giới thiệu về động cơ
• 2.2. Phương trình toán của PMSM
• 2.2.1. Phương trình toán trong miền pha abc
• 2.3. Giới thiệu về hệ thống điều khiển động cơ
• 2.3.1. Phương pháp điều khiển vô hướng
• 2.3.2. Phương pháp điều khiển dựa theo từ thông rotor
• 2.3.3. Phương pháp điều khiển mô men trực tiếp
• 2.3.4. Mô hình toán phương pháp điều khiển PMSM dựa trên hướng từ thông
• 2.3.4.1. Biến đổi Clark
• 2.3.4.2. Biến đổi Park
• 2.3.4.3. Điều khiển PI
• 2.3.4.4. Biến đổi Park ngược
• 2.3.4.5. Biến đổi Clark ngược
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC ĐỘNG CƠ PMSM KHÔNG CẢM BIẾN
• 3.1. Kỹ thuật ước lượng vị trí/vận tốc rotor cho PMSM
• 3.1.1. Phương pháp tính toán trực tiếp
• 3.1.2. Ước tính vị trí rotor PMSM dựa trên lực điện động tương đương
• 3.1.3. Phương pháp bù thích nghi
• 3.1.4. Phương pháp sử dụng chiến lược chế độ trượt thích ứng-MRAS
• 3.1.5. Phương pháp bơm tín hiệu điện áp xung tần số cao
• 3.2. Thuật toán quan sát vị trí góc rotor trong bộ quan được đề xuất
• 3.2.1. Mô hình động của PMSM
• 3.2.2. Thiết kế bộ quan sát
• 3.2.2.1. Thiết kế bộ quan sát chế độ trượt cho PMSM
• 3.2.2.2. Độ lợi bộ quan sát thích nghi đề xuất cho SMO
• 3.2.2.3. Bộ lọc thông thấp ghép tầng với tần số cắt có thể thay đổi
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC ĐỘNG CƠ PMSM DỰA TRÊN BỘ QUAN SÁT TRƯỢT CẢI TIẾN
• 4.1. Mô hình hóa mô phỏng
• 4.1.1. Mô hình hóa động cơ PMSM
• 4.1.2. Mô hình hóa bộ inverter
• 4.1.3. Mô hình hóa bộ điều khiển
• 4.1.3.1. Khối chuyển đổi toán học
• 4.1.3.2. Bộ điều khiển vận tốc và bộ điều khiển dòng điện
• 4.1.4. Bộ ước lượng vị trí và vận tốc rotor
• 4.1.5. Bộ điều khiển vòng hở
• 4.1.6. Các khối hiển thị dữ liệu
• 4.2. Kết quả mô phỏng
• 4.2.1. Vận tốc động cơ 1000 rpm
• 4.2.2. Vận tốc động cơ 2000 rpm
• 4.2.3. Vận tốc động cơ 3000 rpm
• 4.2.4. Khi tải thay đổi theo thời gian
• 4.2.5. Khi vận tốc thay đổi theo thời gian
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC ĐỘNG CƠ PMSM DỰA TRÊN BỘ QUAN SÁT TRƯỢT CẢI TIẾN
• 5.1. Xây dựng mô hình điều khiển động cơ PMSM
• 5.1.1. Bộ kit thí nghiệm
• 5.1.2. Card điều khiển
• 5.2. Thực nghiệm điều khiển động cơ PMSM
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) đã trở thành một phần quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp nhờ vào khả năng điều chỉnh tốc độ và vị trí chính xác. Tuy nhiên, việc sử dụng cảm biến để thu thập thông tin về vị trí góc của rôto thường làm tăng chi phí và kích thước của động cơ. Do đó, việc phát triển các phương pháp điều khiển không cảm biến trở thành một thách thức lớn. Luận văn này tập trung vào việc thiết kế bộ quan sát trượt (bộ quan sát trượt) nhằm cải thiện độ chính xác trong việc ước lượng vị trí góc của rôto mà không cần sử dụng cảm biến. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển.

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển một chiến lược điều khiển mới cho động cơ PMSM không cảm biến thông qua việc sử dụng bộ quan sát chế độ trượt (SMO). Chiến lược này nhằm cải thiện độ chính xác trong việc ước lượng vị trí góc của rôto, đồng thời giảm thiểu hiện tượng chattering thường gặp trong các bộ quan sát truyền thống. Việc áp dụng bộ lọc thông thấp ghép tầng với tần số cắt biến đổi cũng được đề xuất để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điều khiển.

II. Tổng quan về động cơ PMSM

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là một thiết bị cơ điện quan trọng, chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. PMSM có cấu trúc đơn giản với stator và rotor, trong đó rotor được tạo thành từ nam châm vĩnh cửu. Nguyên lý hoạt động của PMSM dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay và dòng điện trong rotor. Động cơ này nổi bật với mật độ công suất cao, hiệu suất tốt và khả năng hoạt động trong nhiều ứng dụng khác nhau như xe điện và thiết bị y tế. Việc sử dụng PMSM ngày càng phổ biến nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó so với các loại động cơ khác.

2.1 Phương trình toán của PMSM

Để mô hình hóa động cơ PMSM, cần áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện và cơ khí của động cơ. Các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và từ thông trong các pha của stator. Việc hiểu rõ các phương trình này là cần thiết để phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả cho động cơ PMSM. Các mô hình toán học này sẽ là cơ sở cho việc thiết kế bộ quan sát trượt và các thuật toán điều khiển không cảm biến.

III. Thiết kế bộ quan sát trượt

Bộ quan sát chế độ trượt (SMO) được thiết kế nhằm cải thiện độ chính xác trong việc ước lượng vị trí góc của rôto trong động cơ PMSM không cảm biến. SMO có khả năng hoạt động tốt trong môi trường có nhiễu và biến đổi tham số. Việc sử dụng độ lợi thích ứng trong bộ quan sát giúp giảm thiểu hiện tượng chattering, một vấn đề thường gặp trong các bộ quan sát truyền thống. Hệ thống được thiết kế với bộ lọc thông thấp ghép tầng, cho phép điều chỉnh tần số cắt để tối ưu hóa hiệu suất trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

3.1 Chiến lược điều khiển

Chiến lược điều khiển được đề xuất trong luận văn này bao gồm việc sử dụng bộ quan sát trượt với độ lợi thích ứng. Điều này cho phép hệ thống điều khiển hoạt động hiệu quả hơn trong toàn bộ dãy tốc độ, từ đó nâng cao độ chính xác trong việc ước lượng vị trí góc của rôto. Phân tích ổn định được thực hiện dựa trên hàm định luật Lyapunov, đảm bảo rằng hệ thống sẽ duy trì tính ổn định trong suốt quá trình hoạt động.

IV. Kết quả thực nghiệm

Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng bộ quan sát trượt cải tiến có khả năng ước lượng chính xác vị trí góc của rôto trong động cơ PMSM không cảm biến. Thí nghiệm được thực hiện trong nhiều điều kiện khác nhau, từ đó chứng minh tính hiệu quả của chiến lược điều khiển được đề xuất. Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng bộ quan sát chế độ trượt không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển trong thực tế.

4.1 Phân tích kết quả

Phân tích kết quả cho thấy rằng bộ quan sát trượt cải tiến có thể giảm thiểu hiện tượng chattering và nâng cao độ chính xác trong việc ước lượng vị trí góc của rôto. Các thí nghiệm cho thấy rằng hệ thống có thể hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện khác nhau, từ đó khẳng định giá trị thực tiễn của nghiên cứu. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống điều khiển không cảm biến trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) đã trở thành một trong những thiết bị quan trọng trong công nghiệp hiện đại nhờ mật độ công suất cao, hiệu suất vượt trội và cấu trúc chắc chắn. Theo báo cáo ngành, hơn 60% điện năng tiêu thụ trong công nghiệp được sử dụng cho các máy điện, trong đó PMSM ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xe điện, máy giặt, thiết bị y tế và công cụ sản xuất chính xác. Tuy nhiên, việc sử dụng cảm biến cơ học để đo vị trí góc rotor làm tăng chi phí sản xuất, kích thước và giảm độ tin cậy do nhạy cảm với rung động và nhiệt độ. Do đó, điều khiển không cảm biến trở thành xu hướng nghiên cứu quan trọng nhằm nâng cao độ tin cậy, giảm chi phí và thu nhỏ kích thước động cơ.

Mục tiêu của luận văn là thiết kế một bộ quan sát trượt (SMO) cải tiến với độ lợi thích nghi và bộ lọc thông thấp xếp tầng có tần số cắt biến đổi, nhằm nâng cao độ chính xác ước lượng vị trí góc rotor trong điều khiển vận tốc động cơ PMSM không cảm biến. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động cơ PMSM ba pha, sử dụng mô hình toán học trong hệ tọa độ dq0 và áp dụng phương pháp điều khiển vector định hướng trường (FOC). Thời gian nghiên cứu chủ yếu trong giai đoạn đến năm 2020, với các kết quả mô phỏng và thực nghiệm tại một số phòng thí nghiệm và môi trường thực tế.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn trong việc cải thiện hiệu quả điều khiển động cơ PMSM, góp phần giảm chi phí sản xuất và tăng độ tin cậy cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao và vận hành ổn định.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

1. Mô hình toán học động cơ PMSM trong hệ tọa độ dq0: Sử dụng biến đổi Clark và Park để chuyển đổi các đại lượng ba pha sang hệ tọa độ trực giao dq0, giúp đơn giản hóa phương trình vi phân mô tả động cơ. Các phương trình điện áp, dòng điện và mô men điện từ được biểu diễn dưới dạng không gian trạng thái, cho phép phân tích và thiết kế bộ điều khiển hiệu quả.

2. Bộ quan sát chế độ trượt (Sliding Mode Observer - SMO): SMO được chọn vì tính đơn giản trong thiết kế toán học và khả năng chịu nhiễu, biến đổi tham số hệ thống tốt hơn so với các bộ quan sát khác. Luận văn đề xuất cải tiến SMO bằng cách áp dụng độ lợi thích nghi dựa trên phân tích ổn định Lyapunov và sử dụng bộ lọc thông thấp xếp tầng với tần số cắt biến đổi để giảm hiện tượng chattering và độ trễ pha trong ước lượng vị trí rotor.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Chattering: hiện tượng dao động tần số cao trong bộ quan sát trượt gây ảnh hưởng đến độ chính xác.
• Độ lợi thích nghi: điều chỉnh độ lợi bộ quan sát theo vận tốc tham chiếu để giảm chattering ở dải tốc độ thấp.
• Bộ lọc thông thấp xếp tầng (Cascade LPF): tăng cường khả năng lọc nhiễu và sóng hài trên tín hiệu EMF ước lượng, đồng thời giảm độ trễ pha bằng cách điều chỉnh tần số cắt theo vận tốc rotor.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thực nghiệm từ bộ kit thí nghiệm PMSM và card điều khiển DSP TMS320F28035, cùng với kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Cỡ mẫu thực nghiệm gồm nhiều lần chạy động cơ ở các vận tốc khác nhau (1000 rpm, 2000 rpm, 3000 rpm) và các điều kiện tải thay đổi theo thời gian.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô hình hóa toán học động cơ PMSM và bộ điều khiển vector FOC.
• Thiết kế và triển khai bộ quan sát trượt cải tiến với độ lợi thích nghi và bộ lọc LPF xếp tầng.
• Phân tích ổn định hệ thống dựa trên hàm Lyapunov để đảm bảo hội tụ và giảm chattering.
• Mô phỏng các kịch bản vận hành khác nhau để đánh giá độ chính xác ước lượng vị trí rotor.
• Thực nghiệm điều khiển vận tốc động cơ PMSM không cảm biến để kiểm chứng hiệu quả thuật toán.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 1-2 năm, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế mô hình, mô phỏng, lập trình card điều khiển DSP, thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ chính xác ước lượng vị trí rotor được cải thiện rõ rệt: Bộ quan sát trượt với độ lợi thích nghi và bộ lọc LPF xếp tầng cho sai số ước lượng vị trí góc rotor giảm xuống dưới 2 độ trong toàn dải vận tốc từ 0 đến 3000 rpm, so với sai số lớn hơn 5 độ khi sử dụng SMO truyền thống với độ lợi cố định.

2. Hiện tượng chattering được giảm thiểu đáng kể: Độ lợi thích nghi dựa trên vận tốc tham chiếu giúp giảm chattering ở vùng tốc độ thấp, giảm dao động tần số cao trong tín hiệu ước lượng EMF, từ đó nâng cao độ ổn định của hệ thống điều khiển.

3. Bộ lọc thông thấp xếp tầng với tần số cắt biến đổi giúp giảm độ trễ pha: So với bộ lọc LPF bậc nhất cố định, bộ lọc xếp tầng cho phép điều chỉnh tần số cắt theo vận tốc rotor, giảm sai số pha trong ước lượng vị trí, đặc biệt hiệu quả khi vận tốc thay đổi nhanh hoặc tải biến thiên.

4. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng tương đồng: Các biểu đồ vận tốc rotor thực tế và ước lượng gần như trùng khớp, với sai số vận tốc dưới 3%, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải thuật trong điều khiển vận tốc động cơ PMSM không cảm biến.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện là do việc áp dụng độ lợi thích nghi giúp bộ quan sát tự điều chỉnh theo điều kiện vận hành, tránh việc sử dụng độ lợi cố định gây chattering hoặc sai số lớn. Bộ lọc LPF xếp tầng với tần số cắt biến đổi giúp cân bằng giữa lọc nhiễu và độ trễ pha, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và phản hồi nhanh.

So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng SMO truyền thống hoặc các phương pháp ước lượng khác như MRAS, EKF, phương pháp đề xuất có ưu điểm về độ đơn giản trong thiết kế, khả năng chịu nhiễu tốt và hiệu quả thực nghiệm cao. Việc sử dụng bộ xử lý tín hiệu số DSP cũng giúp thực hiện thuật toán phức tạp một cách nhanh chóng và chính xác.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh sai số vị trí rotor theo thời gian, biểu đồ vận tốc thực tế và ước lượng, cũng như bảng tổng hợp sai số trung bình và độ lệch chuẩn ở các vận tốc khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai độ lợi thích nghi trong SMO cho các ứng dụng PMSM đa dạng: Động từ hành động "áp dụng" nhằm giảm chattering và nâng cao độ chính xác ước lượng vị trí rotor, với mục tiêu giảm sai số vị trí dưới 2 độ trong vòng 6 tháng, do các nhà phát triển hệ thống điều khiển thực hiện.

2. Sử dụng bộ lọc thông thấp xếp tầng với tần số cắt biến đổi: Khuyến nghị "thiết kế và tích hợp" bộ lọc này trong các bộ điều khiển PMSM để giảm độ trễ pha và cải thiện hiệu suất điều khiển, thời gian thực hiện trong 1 năm, do nhóm nghiên cứu và kỹ sư phần mềm đảm nhiệm.

3. Tăng cường đào tạo và ứng dụng DSP trong điều khiển động cơ: Đề xuất "đào tạo" kỹ thuật viên và kỹ sư về lập trình DSP và thuật toán SMO cải tiến nhằm nâng cao năng lực triển khai thực tế, với mục tiêu hoàn thành trong 12 tháng, do các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật thực hiện.

4. Mở rộng nghiên cứu và thử nghiệm trong môi trường công nghiệp thực tế: Khuyến nghị "thực hiện" các thử nghiệm dài hạn tại các nhà máy sản xuất để đánh giá độ bền và hiệu quả của bộ quan sát trượt cải tiến, thời gian dự kiến 18 tháng, do các doanh nghiệp và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư điều khiển động cơ và tự động hóa: Nắm bắt các phương pháp điều khiển không cảm biến tiên tiến, áp dụng trong thiết kế và tối ưu hóa hệ thống truyền động PMSM, giúp giảm chi phí và tăng độ tin cậy.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, điện tử: Tìm hiểu sâu về mô hình toán học động cơ PMSM, bộ quan sát trượt và các kỹ thuật điều khiển vector, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và luận văn chuyên sâu.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện và động cơ: Áp dụng giải pháp điều khiển không cảm biến để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm kích thước và chi phí sản xuất, đồng thời tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

4. Trung tâm đào tạo và phát triển công nghệ: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy và tham khảo trong các khóa học về điều khiển động cơ, lập trình DSP và thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ quan sát trượt (SMO) là gì và tại sao được sử dụng trong điều khiển PMSM không cảm biến?
   SMO là một bộ quan sát dựa trên lý thuyết chế độ trượt, có khả năng ước lượng vị trí và vận tốc rotor mà không cần cảm biến vật lý. Nó được sử dụng vì tính đơn giản, độ bền cao và khả năng chịu nhiễu tốt, giúp giảm chi phí và tăng độ tin cậy hệ thống.

2. Hiện tượng chattering trong SMO là gì và làm thế nào để giảm thiểu?
   Chattering là dao động tần số cao trong tín hiệu ước lượng do đặc tính chuyển mạch không liên tục của SMO. Giải pháp giảm thiểu là sử dụng độ lợi thích nghi theo vận tốc và bộ lọc thông thấp xếp tầng với tần số cắt biến đổi, giúp giảm dao động và cải thiện độ chính xác.

3. Tại sao cần sử dụng biến đổi Clark và Park trong mô hình toán học PMSM?
   Biến đổi Clark và Park giúp chuyển đổi các đại lượng ba pha xoay chiều sang hệ tọa độ trực giao dq0 cố định hoặc quay theo rotor, làm đơn giản hóa phương trình và cho phép thiết kế bộ điều khiển vector hiệu quả, chính xác hơn.

4. Phương pháp điều khiển vector định hướng trường (FOC) có ưu điểm gì?
   FOC cho phép điều khiển mô men và từ thông riêng biệt trên hai trục dq, giúp đạt được hiệu suất cao, đáp ứng nhanh và chính xác trong điều khiển vận tốc và vị trí rotor, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

5. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả của bộ quan sát trượt cải tiến trong thực tế?
   Hiệu quả được đánh giá qua các thử nghiệm thực tế với các vận tốc và tải khác nhau, so sánh sai số vị trí rotor ước lượng với cảm biến cơ học, đồng thời kiểm tra độ ổn định vận tốc và giảm chattering qua các biểu đồ và số liệu thống kê.

Kết luận

• Đã thiết kế thành công bộ quan sát trượt cải tiến với độ lợi thích nghi và bộ lọc thông thấp xếp tầng có tần số cắt biến đổi, nâng cao độ chính xác ước lượng vị trí rotor trong điều khiển vận tốc động cơ PMSM không cảm biến.
• Giảm thiểu hiệu quả hiện tượng chattering, đặc biệt ở vùng vận tốc thấp, giúp tăng độ ổn định và độ bền của hệ thống điều khiển.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sai số vị trí rotor dưới 2 độ và sai số vận tốc dưới 3%, đáp ứng yêu cầu ứng dụng công nghiệp.
• Luận văn góp phần quan trọng trong việc phát triển các giải pháp điều khiển không cảm biến, giảm chi phí và kích thước động cơ PMSM.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế trong môi trường công nghiệp và mở rộng nghiên cứu cho các loại động cơ khác, đồng thời khuyến khích áp dụng trong đào tạo và phát triển công nghệ.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các giải pháp điều khiển không cảm biến dựa trên bộ quan sát trượt cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển động cơ PMSM. Trong chương này trình bày những nội dung cơ bản nhất về PMSM như cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các phương pháp điều khiển hiện nay.  CHƯƠNG 2: Mô hình toán của động cơ PMSM. Trong chương trình bày các toán hóa động cơ PMSM và phương pháp điều khiển động cơ PMSM theo phương pháp điều khiển vector.

Động cơ PMSM hoạt động dựa trên hiệu ứng điện từ được tạo bởi rotor và stator. Để hiểu và có thể điều khiển được động cơ này thì phải mô hình hóa động cơ. Các hiện tượng điện từ được chuyển về dưới 3 Luan van dạng các mô hình toán học. Dựa vào các mô hình động cơ thu được, các phương pháp điều khiển khác nhau được đề xuất.

Trong luận văn, phương pháp điều khiển dựa trên vector được đề xuất vì đây là phương pháp điều khiển thông dụng và hiệu quả cao trong các phương pháp điều khiển động cơ hiện nay.  CHƯƠNG 3: Thiết kế bộ điều khiển với bộ quan sát kiểu mới cho động cơ PMSM không cảm biến. Dựa trên mô hình động cơ PMSM được xây dựng, các phương pháp ước lượng vị trí rotor được xây dựng nhằm loại bỏ cảm biến góc rotor ra khỏi mạch điều khiển. Trong chương trình bày các phương pháp xây dựng các bộ ước lượng vị trí góc rotor theo các phương pháp khác nhau.

Phương pháp xây dựng bộ quan sát chế độ trượt cải tiến được đề xuất trong luận văn cũng được thể hiện một cách cụ thể.  CHƯƠNG 4: Thực hiện mô phỏng bằng Matlab hệ thống điều khiển động cơ PMSM không cảm biến. Trong chương trình bày các bước và các khối trong một mô hình hóa mô phỏng điều khiển vận tốc động cơ PMSM. Các kết quả trong quá trình mô phỏng có ý nghĩa quan trọng trong định hướng xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển vận tốc động cơ PMSM không cảm biến.

4 Luan van CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ PMSM 2.1 Giới thiệu về động cơ. Một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là một thiết bị cơ điện biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học bằng cách sử dụng các trường điện từ. Năng lượng cơ học này tạo ra một chuyển động quay và mô-men xoắn cơ học. PMSM ba pha gồm hai phần chính.

Một phần được gọi là stator và bao gồm ba cuộn dây pha. Một phần quay được gọi là rotor và được hình thành bởi một nam châm vĩnh cửu. Stator và rotor có hình dạng hình trụ nơi rotor được bao phủ bởi stato. Chúng được ngăn cách bởi một khoảng trống nhỏ.

Nguyên tắc hoạt động của PMSM được mô tả trong [2]. Tuy nhiên, các pha stator được kết nối với một nguồn điện áp ba pha hình sin. Sự chồng chất của ba từ trường được tạo ra bởi ba cuộn dây pha của stato tạo ra một thông lượng hình sin quay ở tần số của nguồn điện áp. Từ trường quay luân phiên này tương tác với dòng rotor trong khoảng cách không khí tách stato khỏi rôto và tạo ra lực điện từ dẫn đến vòng quay của rôto.

Giá trị của tốc độ động cơ tương ứng với tần số của điện áp động cơ. Ngày nay, động cơ điện được sử dụng rộng rãi. Theo công bố trong [21], hơn 60% điện được sử dụng để chạy các máy điện. PMSM là một loại động cơ điện quan trọng ngày càng được sử dụng trong những năm gần đây.

Các tính năng chính của động cơ PMSM là mật độ công suất và mô-men xoắn cao, tiêu thụ năng lượng thấp (hệ số công suất cao) và hoạt động tốt. Do đó, PMSM đang thay thế các động cơ không đồng bộ trong nhiều loại ứng dụng. Bên cạnh đó, sự phát triển nhanh 5 Luan van chóng của các linh kiện điện tử công suất và tốc độ xử lý tín hiệu tăng nhanh cũng nằm ngoài việc sử dụng các động cơ này tăng lên. PMSM được sử dụng trong nhiều ứng dụng như xe điện và máy giặt (cần mật độ công suất cao).

Chúng cũng được sử dụng cho các thiết bị có độ chính xác cao như máy in điện, công cụ sản xuất, thiết bị y tế có độ chính xác cao (máy bơm y tế, máy thổi và máy nén) và nhiều lĩnh vực khác.2 Phương trình toán của PMSM 2.1 Phương trình toán trong miền pha abc. Để có được các mô hình toán học của PMSM chúng ta cần phải áp dụng, tương ứng, định luật thứ hai Kirchhoff và định luật thứ hai của Newton về các bộ phận điện và cơ khí của động cơ.1 Mô hình tương đương cơ khí và điện của PMSM Phần điện: Từ Hình 2.1, định luật 2 Kirchhoff có thể được áp dụng vào phần điện của động cơ ta thu được d a ua  t   rsia  t   , dt d b ub  t   rsib  t   , (2.1) dt d c uc  t   rsic  t   , dt 6 Luan van Với rs là thành phần điện trở của mỗi pha, ua  t  , ub  t  , uc  t  và ia , ib , ic lần lượt là điện áp pha và dòng điện.  a ,  b ,  c là các liên kết từ thông và bao gồm hai phần,  a  Lsaa ia  Lsabib  Lsac ic  a e  ,  b  Lsba ia  Lsbbib  Lsbcic  b e  , (2.2)  c  Lsca ia  Lscbib  Lscc ic  c e  , Trong đó L biểu thị các điện cảm pha tương ứng là a , b , c , đại diện cho các liên kết từ thông được cung cấp bởi các nam châm vĩnh cửu trong mỗi pha của stator. Thông lượng này được coi là một hàm tuần của vị trí quay góc điện e Giả sử rằng các cuộn dây stator được phân bố hình sin, sau đó chúng ta có thể thể hiện những mối liên hệ từ thông nam châm vĩnh cửu như sau e aa  e   m sin  e   2  b e   m sin  e    (2.3)  3   2  c  e   m sin   e     3  Ba thành phần đầu tiên trong mỗi phương trình (2.2) biễu diễn thông lượng từ hóa gắn liền với độ từ cảm tự thân và từ cảm tương hỗ của mỗi pha.

Dựa trên đề xuất trong [22] sẽ thu được ma trận điện cảm từ hóa ba pha như thể hiện trong (2.4)  1 1   Lsl  Lm  Lm 2  Lm  2   Ls    Lm 1 1  Lsl  Lm  Lm (2.4)  2 2   1 1    Lm  Lm Lsl  Lm   2 2  Với Lsl là điển cảm tự thân của mỗi pha và Lm là giá trị trung bình của điện cảm từ hóa. 7 Luan van Thay (2.4) vào phương trình (2.2), có thể viết lại phương trình (2.2) dưới dạng ma trận. Tổng thông lượng từ hóa, được tạo ra bởi cả hai loại điện cảm và nam châm vĩnh cửu, được thể hiện như  1 1     Lsl  Lm  Lm  Lm    sin     ia      a  2 2 m e      1 L        Lm . ib   m sin  e     1 2  b  2 m Lsl  Lm (2.5) 2   3    c     ic     1 Lm 1   2   Lm Lsl  Lm  m sin   e      2 2   3   Phương trình này có thể được viết dưới dạng vector như trong (2.6)  abc  Lsiabc  abc , (2.6) Với  abc , iabc ,  abc là các vector 3x1, và Ls là ma trận 3x3.

Do đó, chúng ta có thể viết mô hình phần điện, mô tả trong phương trình (2.1), trong một dạng ma trận như d  abc uabc  Rsiabc  (2.7) dt Bằng cách thay thế phương trình (2.6) vào phương trình (2.7) ta thu được diabc d  abc uabc  Rsiabc  Ls  (2.8) dt dt mở rộng (2.8) ta nhận được phương trình (2.9)  1 1     Lsl  Lm  Lm  Lm    sin    ua   rs 0 0  ia   2 2  ia   m e  u    0       0 . ib     Lm  Lm . ib   e m sin  e     1 1 2  b  rs Lsl  Lm (2.9)  2 2   3   uc   0 0 rs   ic    ic     1 Lm 1   2   Lm Lsl  Lm        2 2  m sin  e   3  Điều này có thể được thể hiện dưới dạng không gian trạng thái như (2.10) 8 Luan van 1 1  1 1   1 1   Lsl  Lm  Lm 2  Lm  2  Lsl  Lm  Lm 2  Lm  2 ia    s r 0 0   a  i  u a     1L Lsl  Lm  Lm . ib     Lm  Lm .

ub  1 1 1 i  b   Lsl  Lm  2 m 2   2 2   ic     0 0 rs   ic     uc    1 Lm 1  Lm Lsl  Lm    1 Lm 1  Lm Lsl  Lm   2 2   2 2  (2.10)    1  1 1  Lsl  Lm  2 Lm  Lm    sin        2  m e      e   Lm Lsl  Lm  Lm . m sin   e     1 1 2  2 2   3     1 1     Lm  Lm Lsl  Lm   sin       2  2 2  m  e    3  Phần cơ: mô hình cơ của máy điện và phụ tải được biễu diễn đơn giản bằng cách dùng định luật hai Newton.