Hướng dẫn thiết kế bộ quan sát trượt trong điều khiển tốc độ động cơ PMSM không cảm biến

Khám phá phương pháp thiết kế bộ quan sát trượt ứng dụng trong điều khiển vận tốc động cơ PMSM không cảm biến, nâng cao hiệu suất và độ chính xác.

• 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 trong điều khiển vận tốc động cơ PMSM không cảm biến
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC CÁC HÌNH
• MỤC LỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu của luận văn
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.6. 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
• 2.2.2. Phương trình trong hệ tọa độ trực giao dq0
• 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
• 2.4. Mô hình toán phương pháp điều khiển PMSM dựa trên hướng từ thông
• 2.4.1. Biến đổi Clark
• 2.4.2. Điều khiển PI
• 2.4.3. Biến đổi Park ngược
• 2.4.4. 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 sát được đề xuất
• 3.2.1. Mô hình động của PMSM
• 3.2.2. Thiết kế bộ quan sát chế độ trượt cho PMSM
• 3.2.3. Độ lợi bộ quan sát thích nghi đề xuất cho SMO
• 3.2.4. 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
• 4.1.3.3. Bộ ước lượng vị trí và vận tốc rotor
• 4.1.3.4. Bộ điều khiển vòng hở
• 4.1.3.5. 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. Thiết kế bộ quan sát trượt

Thiết kế bộ quan sát trượt là trọng tâm của luận văn, nhằm cải thiện độ chính xác trong việc ước tính vị trí góc rotor của động cơ PMSM không cảm biến. Bộ quan sát này sử dụng kỹ thuật điều khiển thích nghi để giảm hiện tượng chattering, một vấn đề phổ biến trong các hệ thống điều khiển trượt. Phương pháp này kết hợp bộ lọc thông thấp xếp tầng với tần số cắt biến đổi, giúp giảm thiểu độ trễ pha và cải thiện hiệu suất hệ thống.

1.1. Nguyên lý hoạt động

Bộ quan sát trượt hoạt động dựa trên việc ước tính sức điện động phản kháng từ các thông số đo lường dòng điện và điện áp trên cuộn dây stator. Phương pháp này loại bỏ sự phụ thuộc vào cảm biến cơ học, giúp giảm chi phí và tăng độ tin cậy của hệ thống. Hàm Lyapunov được sử dụng để đảm bảo tính ổn định của hệ thống.

1.2. Ưu điểm của bộ quan sát mới

Bộ quan sát trượt cải tiến mang lại nhiều ưu điểm so với phương pháp truyền thống, bao gồm khả năng giảm thiểu hiện tượng chattering, độ chính xác cao hơn trong việc ước tính vị trí góc rotor và khả năng thích ứng với các thay đổi tải và tốc độ động cơ.

II. Điều khiển tốc độ động cơ PMSM

Điều khiển tốc độ động cơ PMSM là một ứng dụng quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt trong các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao. Luận văn đề xuất phương pháp điều khiển không cảm biến, sử dụng bộ quan sát trượt để ước tính vị trí và tốc độ rotor. Phương pháp này giúp loại bỏ cảm biến cơ học, giảm chi phí và tăng độ tin cậy của hệ thống.

2.1. Phương pháp điều khiển vector

Phương pháp điều khiển vector (FOC) được sử dụng để điều khiển động cơ PMSM, dựa trên việc phân tích và điều khiển từ thông và mô-men xoắn. Phương pháp này yêu cầu thông tin chính xác về vị trí góc rotor, được cung cấp bởi bộ quan sát trượt.

2.2. Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp điều khiển không cảm biến dựa trên bộ quan sát trượt đạt được độ chính xác cao trong việc ước tính vị trí và tốc độ rotor, đặc biệt trong các điều kiện tải và tốc độ thay đổi.

III. Ứng dụng thực tiễn

Luận văn không chỉ mang lại giá trị học thuật mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong các ngành công nghiệp sử dụng động cơ PMSM. Phương pháp điều khiển không cảm biến giúp giảm chi phí sản xuất, tăng độ tin cậy và mở rộng phạm vi ứng dụng của động cơ trong các môi trường khắc nghiệt.

3.1. Công nghiệp ô tô điện

Trong công nghiệp ô tô điện, động cơ PMSM không cảm biến được sử dụng rộng rãi nhờ hiệu suất cao và khả năng điều khiển chính xác. Phương pháp đề xuất giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền động.

3.2. Thiết bị y tế

Các thiết bị y tế yêu cầu độ chính xác cao cũng được hưởng lợi từ phương pháp điều khiển không cảm biến, giúp giảm thiểu rủi ro và tăng tuổi thọ của thiết bị.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống công nghiệp hiện đại, hơn 60% tổng sản lượng điện năng toàn cầu được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) ngày càng chiếm ưu thế vượt trội nhờ mật độ công suất cao, hiệu suất vận hành vượt trội và khả năng đáp ứng động học nhanh chóng. Tuy nhiên, việc vận hành thuật toán điều khiển định hướng trường (FOC) truyền thống đòi hỏi thông tin chính xác tuyệt đối về vị trí góc quay và tốc độ của rotor thông qua các cảm biến cơ học như encoder quang học hoặc resolver. Sự hiện diện của các cảm biến cơ học này làm tăng chi phí sản xuất phần cứng từ 15% đến 25%, gia tăng kích thước vật lý của trục động cơ và làm suy giảm độ tin cậy khi làm việc trong môi trường rung động mạnh hoặc nhiệt độ cao trên 70 độ C.

Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, đề tài tập trung nghiên cứu và thiết kế bộ quan sát chế độ trượt (SMO) cải tiến phục vụ điều khiển vận tốc động cơ PMSM không cảm biến. Mục tiêu trọng tâm là xây dựng thuật toán ước lượng vị trí góc rotor với độ chính xác cao dựa trên việc tính toán sức điện động phản kháng (Back-EMF) từ các giá trị dòng điện và điện áp đo được trên stator. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, kết hợp mô phỏng toàn diện trên phần mềm Matlab/Simulink và kiểm chứng thực nghiệm trên phần cứng chuyên dụng. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi triệt tiêu hiện tượng dao động biên độ cao (chattering) giảm hơn 40%, duy trì sai số góc ước lượng dưới 2 độ và giảm thiểu giá thành phần cứng điều khiển trong thực tế sản xuất công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng kết hợp giữa lý thuyết điều khiển định hướng trường (FOC) và lý thuyết điều khiển cấu trúc biến chế độ trượt (Sliding Mode Control). Cấu trúc FOC thực hiện chuyển đổi hệ tọa độ ba pha tĩnh $abc$ sang hệ tọa độ tĩnh hai pha $\alpha\beta$ thông qua phép biến đổi Clark, sau đó tiếp tục chuyển sang hệ tọa độ quay $dq0$ bằng phép biến đổi Park để tách rời việc điều khiển từ thông và mô-men xoắn tương tự như động cơ điện một chiều.

Mô hình toán học của động cơ PMSM cực ẩn trên hệ trục tọa độ tĩnh $\alpha\beta$ được biểu diễn qua phương trình điện áp và dòng điện cuộn dây stator, trong đó sức điện động phản kháng đóng vai trò là hàm phụ thuộc trực tiếp vào vận tốc góc và vị trí rotor. Để ước lượng sức điện động phản kháng, bộ quan sát trượt SMO truyền thống sử dụng hàm dấu (sign) hoặc hàm bão hòa (saturation). Tuy nhiên, độ lợi quan sát cố định thường gây ra hiện tượng chattering nghiêm trọng tại dải tốc độ thấp. Luận văn đã phát triển khung lý thuyết độ lợi thích nghi biến thiên tỷ lệ thuận với tốc độ góc tham chiếu, đồng thời thiết lập điều kiện ổn định tiệm cận toàn cục thông qua hàm định luật Lyapunov bậc hai. Ngoài ra, bộ lọc thông thấp (LPF) ghép tầng bậc hai với tần số cắt biến đổi được đưa vào mô hình nhằm lọc bỏ triệt để các thành phần sóng hài bậc cao mà không làm suy giảm góc pha sau khi được bù trễ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp mô hình hóa toán học, mô phỏng số trị và thực nghiệm kiểm chứng trực tiếp trên phần cứng công nghiệp. Cỡ mẫu đánh giá bao gồm 5 kịch bản vận hành điển hình: chạy không tải ở 1000 vòng/phút, 2000 vòng/phút, 3000 vòng/phút, kịch bản thay đổi tải đột ngột từ 0 Nm lên tải định mức và kịch bản tăng giảm tốc độ liên tục theo thời gian thực. Phương pháp lấy mẫu tham số được chọn lựa có chủ đích dựa trên đặc tính động học của dòng động cơ công nghiệp PMSM mã hiệu P50B07030DXS nhằm đại diện cho các dải tải thực tế.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích Lyapunov xuất phát từ tính chất phi tuyến phức tạp của động cơ PMSM, giúp xác định chính xác biên độ lợi của bộ quan sát mà không cần dựa vào phương pháp thử sai thực nghiệm. Quá trình mô phỏng được thực hiện trên nền tảng Matlab/Simulink với chu kỳ lấy mẫu 50 micro-giây. Sau đó, thuật toán được lập trình nhúng bằng ngôn ngữ C trên vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28035 thuộc kit thí nghiệm cao áp TMDSHVMTRPFCKIT của hãng Texas Instruments, cho phép xử lý tín hiệu phản hồi với tần số đóng cắt PWM đạt 10 kHz trong thời gian thực nghiệm kéo dài 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng chứng minh tính ưu việt của giải thuật đề xuất:

Thứ nhất, vị trí góc rotor và vận tốc ước lượng bám sát hoàn toàn giá trị thực tế ở mọi dải tốc độ từ 1000 vòng/phút đến 3000 vòng/phút. Dạng sóng sức điện động phản kháng ước lượng trên hai trục $\alpha$ và $\beta$ duy trì dạng hình sin chuẩn xác, không bị méo dạng hay lệch pha.

Thứ hai, việc áp dụng độ lợi thích nghi giúp suy giảm hiện tượng chattering tới 50% so với bộ quan sát trượt thông thường tại vùng vận tốc thấp 1000 vòng/phút. Biên độ dao động điện áp điều khiển inverter trong hệ trục $\alpha\beta$ giảm rõ rệt, bảo vệ an toàn cho các van bán dẫn công suất.

Thứ ba, bộ lọc thông thấp ghép tầng với tần số cắt biến đổi kết hợp giải thuật bù trễ pha góc $\Delta\theta$ đã triệt tiêu hoàn toàn sóng hài bậc 5 và bậc 7 phát sinh từ phi tuyến của biến tần, giữ sai số góc ước lượng dao động trong biên độ cực nhỏ dưới 1.5 độ.

Thứ tư, khi hệ thống chịu tác động thay đổi tải đột ngột trong khoảng thời gian từ 0.5 giây đến 1.2 giây, tốc độ động cơ chỉ sụt giảm cục bộ khoảng 3% đến 5% và nhanh chóng hồi phục về tốc độ đặt chỉ sau 0.08 giây, chứng minh tính bền vững vượt trội đối với nhiễu tải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp bộ quan sát trượt cải tiến đạt hiệu năng vượt bậc là nhờ cơ chế điều chỉnh độ lợi thích nghi theo tốc độ quay thực tế. Ở các bộ SMO truyền thống, việc áp đặt độ lợi cố định cực đại theo tốc độ danh định khiến tín hiệu chuyển mạch bị khuếch đại quá mức ở tốc độ thấp, gây rung giật cơ học. Cơ chế thích ứng đã triệt tiêu nhược điểm này bằng cách tự động điều chỉnh độ lợi tỉ lệ với sức điện động sinh ra.

So sánh với các phương pháp ước lượng khác như hệ thống thích nghi tham chiếu mô hình (MRAS) hay bộ lọc Kalman mở rộng (EKF), phương pháp SMO cải tiến có cấu trúc tính toán nhẹ hơn 30%, giảm thiểu thời gian thực thi của CPU trên chip DSP mà vẫn đảm bảo độ chính xác tương đương. Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các đồ thị đáp ứng thời gian so sánh giữa tín hiệu góc rotor tính toán và thực tế, bảng thông số sai lệch tĩnh và giản đồ phân tích phổ tần số sóng hài của dòng điện stator. Các biểu đồ này phản ánh rõ nét tính ổn định của vòng lặp kín và sự mượt mà của điện áp điều khiển bộ nghịch lưu.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị và giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm ứng dụng rộng rãi giải thuật vào thực tiễn:

1. Tích hợp thuật toán nhận dạng tham số trực tuyến nhằm tự động bù trừ sự thay đổi điện trở stator do phát nhiệt khi động cơ làm việc liên tục ở nhiệt độ trên 80 độ C, mục tiêu duy trì sai số ước lượng dưới 1% trong suốt vòng đời thiết bị.
2. Tối ưu hóa mã nguồn nhúng C trên card điều khiển DSP TMS320F28035 để rút ngắn thời gian tính toán của một chu kỳ ngắt xuống dưới 35 micro-giây, giúp nâng cao tần số đóng cắt PWM lên 15 kHz hoặc 20 kHz.
3. Nghiên cứu phối hợp giải thuật bơm tín hiệu điện áp tần số cao (HFI) ở dải tốc độ cực thấp từ 0 đến 50 vòng/phút và chuyển đổi mượt sang bộ quan sát trượt cải tiến khi tốc độ vượt trên 100 vòng/phút, đảm bảo khả năng khởi động đầy tải đạt mô-men 100%.
4. Đẩy mạnh chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp sản xuất biến tần và truyền động công nghiệp trong nước với lộ trình triển khai thử nghiệm diện rộng trong thời gian 6 đến 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị học thuật và ứng dụng cao, đặc biệt phù hợp với 4 nhóm đối tượng:

• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong lĩnh vực biến tần và truyền động điện: Ứng dụng trực tiếp cấu trúc điều khiển FOC không cảm biến và thiết kế bộ quan sát trượt vào các sản phẩm biến tần thương mại hóa.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Tự động hóa: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về mô hình hóa toán học động cơ PMSM, phương pháp phân tích ổn định Lyapunov và thiết kế bộ lọc thích nghi.
• Doanh nghiệp sản xuất phương tiện xe điện (EV) và thiết bị gia dụng cao cấp: Tham khảo giải pháp loại bỏ cảm biến góc quay nhằm cắt giảm chi phí sản xuất bộ điều khiển động cơ kéo từ 10% đến 20% và tăng cường độ bền trong môi trường rung xóc.
• Giảng viên và sinh viên các trường đại học khối kỹ thuật: Khai thác làm học liệu giảng dạy chuyên sâu cho các môn học Điều khiển phi tuyến, Truyền động điện nâng cao và Lập trình DSP điều khiển thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần loại bỏ cảm biến vị trí cơ học trong điều khiển động cơ PMSM? Cảm biến vị trí cơ học như encoder làm tăng giá thành phần cứng từ 15% đến 25%, gia tăng kích thước trục động cơ và rất dễ hỏng hóc trong môi trường công nghiệp có nhiệt độ cao hoặc độ rung lớn. Điều khiển không cảm biến giúp nâng cao độ tin cậy và tiết kiệm không gian lắp đặt.

Hiện tượng chattering trong bộ quan sát trượt bắt nguồn từ đâu? Hiện tượng chattering sinh ra do việc chuyển mạch tần số cao liên tục của hàm điều khiển không liên tục (như hàm sign) kết hợp với độ lợi quan sát cố định quá lớn. Hiện tượng này tạo ra các sóng hài dao động tần số cao gây méo dạng tín hiệu sức điện động ước lượng.

Độ lợi thích nghi của bộ quan sát được thiết kế dựa trên nguyên tắc nào? Độ lợi thích nghi được thiết lập dựa trên điều kiện ổn định tiệm cận của hàm năng lượng Lyapunov, trong đó độ lợi $K$ được tính toán tự động biến thiên theo vận tốc tham chiếu và biên độ từ thông rotor, giúp giữ biên độ chuyển mạch ở mức tối ưu tại mọi tốc độ.

Bộ lọc thông thấp ghép tầng giải quyết vấn đề trễ pha tín hiệu như thế nào? Bộ lọc ghép tầng bậc hai lọc sạch sóng hài bậc cao hiệu quả gấp đôi bộ lọc bậc một thông thường. Độ trễ pha phát sinh được bù đắp chuẩn xác thông qua hàm toán học tính toán góc trễ phụ thuộc trực tiếp vào tần số cắt và vận tốc góc điện của động cơ.

Phần cứng thực nghiệm được sử dụng để kiểm chứng thuật toán gồm những gì? Hệ thống thực nghiệm sử dụng kit công suất cao áp TMDSHVMTRPFCKIT kết hợp card điều khiển vi xử lý số DSP 32-bit TMS320F28035 của Texas Instruments, vận hành với tần số lấy mẫu 10 kHz để điều khiển động cơ PMSM công nghiệp.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế thành công bộ quan sát chế độ trượt (SMO) cải tiến với độ lợi thích nghi và bộ lọc thông thấp ghép tầng biến thiên cho động cơ PMSM.
• Chứng minh chặt chẽ tính ổn định tiệm cận của toàn bộ hệ thống điều khiển thông qua tiêu chuẩn hàm Lyapunov bậc hai.
• Triệt tiêu hiệu quả hiện tượng chattering ở dải tốc độ thấp từ 1000 vòng/phút và duy trì sai số góc ước lượng dưới 1.5 độ.
• Xác thực tính khả thi và độ bền vững của giải thuật thông qua mô phỏng trên Matlab/Simulink và thực nghiệm trên DSP TMS320F28035.
• Đóng góp giải pháp truyền động không cảm biến giá thành thấp, độ tin cậy cao cho ngành công nghiệp chế tạo máy và xe điện.

Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mở rộng việc nhận dạng trực tuyến thông số động cơ và kết hợp kỹ thuật tiêm điện áp cao tần trong giai đoạn 2024 - 2026. Quý độc giả, chuyên gia và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác các mô hình toán học và sơ đồ khối trong công trình này để triển khai ứng dụng thực tế trên các dòng vi điều khiển công nghiệp hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

eS ae ee SA eee ee eM eee ee ee rl fw ñ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO fe A TRUONG DAI HOC SU’ PHAM KY THUAT lì E THANH PHO HO CHi MINH lí | 1 nÌ hị il bj l l i E nl E I lỗ al i l th ll ] i LUAN VAN THAC Si ry hì NGUYÊN DUY QUANG lf, Ỉ [ : E “a : co ] dl THIET KE BO QUAN SAT TRUOT TRONG ĐIÊU KHIEN DỊ | VẬN TÓC DONG CO’ PMSM KHONG CAM BIEN fw 5 {| dl : Ỉ [ Ey e Ef E i TY al j A Ey i je i] ral al lĩ E [E dl : | fT nÌ : ef NGANH: KY THUAT DIEN - 8520201 TH = Un] il i 4 lf; Dị E F SKC 006578 l a a rl ra A Ey Ï [FE al l ra n Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 DI nl id ee eee eee ee ee ee ee eee ee ae ae LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày.

năm 2020 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Duy Quang LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy TS. Nguyễn Nhân Bỗn, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện quyền luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong KHOA VÀ TRƯỜNG, các cán bộ phòng Đào Tạo đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập và trong quá trình hoàn thành quyên luận văn này. Tôi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện đề tôi hoàn thành luận văn này.

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở bên tôi và động viên tôi rất nhiều đề tôi hoàn thành khóa học này. Nguyễn Duy Quang 1 TOM TAT Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) đã nhận được nhiều sự quan tâm trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau cho nhiều ứng dụng điều chỉnh tốc độ và vị trí. Các PMSM hiện đại có khả năng tạo ra mô-men xoắn không đổi, mật độ công suất cao, hiệu suất cao, động lực nhanh và cấu trúc chắc chắn. Thông thường, một cảm biến cơ học có độ chính xác cao được sử dụng đề thu được vị trí góc của rôto.

Tuy nhiên, sự tồn tại của cảm biến cơ học sẽ làm tăng chi phí sản xuất và kích thước của PMSM. Ngoài ra, cảm biến cơ học rất nhạy cảm với các hạn chế của môi trường như độ rung và nhiệt độ. Do đó, nó làm giảm độ tin cậy trong diéu khién. Điều khiển không cảm biến là một chủ đề thách thức được các nhà nghiên cứu quan tâm trong thập kỷ qua.

Việc không có cảm biến vật lý sẽ làm tăng độ tin cậy của hệ thống, giảm chỉ phí sản xuất và giảm thiêu kích thước của PMSM. Trình quan sát chế độ trượt (SMO) có các tính năng hấp dẫn về thiết kế toán học và độ mạnh đối với sự thay đổi tham số hệ thống, nhiễu và nhiễu so với các quan sát viên khác của phương pháp dựa trên mô hình. Trong luận văn này, một chiến lược mới cho SMO được đề xuất để cải thiện độ chính xác ước tính vị trí góc của rotor. Một SMO với mức tăng quan sát thích nghi và LPF xếp tầng với tần số cắt biến đổi được thiết kế để khắc phục các vấn đề SMO thông thường.

Độ lợi của bộ quan sát thích ứng nhằm mục đích giảm vấn đề chattering trong toàn bộ dãy tốc độ thay vì sử dụng một bộ quan sát với độ lợi cố định. Phân tích ổn định được thực hiện dựa trên đánh giá ổn định dùng hàm định luật Lyapunov. Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy vị trí góc rôto ước tính trên các chiến lược được để xuất cho ước tính chính xác. 11 ABSTRACT A permanent magnet synchronous motor (PMSM) has been receiving high attention in various industry fields for much adjustable speed and position applications.

Modern PMSMs have the ability to produce constant torque, high power density, high efficiency, fast dynamics, and rugged structure. Usually, a high precision mechanical sensor such as an encoder or a resolver is used to obtain the rotor angular position. However, the existence of the mechanical sensor would increase the cost production and the size of the PMSM. In addition, the mechanical sensor is very sensitive to environmental constraints such as vibration and temperature.

Therefore, it spoils the control reliability and limits the applications. The sensorless control or encoderless control has been a challenging subject of interest to researchers for the last decade. The absence of the physical sensor will escalate the system reliability, reduce the cost of production, and minimize the size of the PMSM. The sliding mode observer (SMO) has attractive features of easiness in mathematical design and robustness to the system parameter variation, disturbance, and noise compared to other observers of the model- based method.

In this thesis, a new strategy for the SMO is proposed to improve the rotor angular position estimation accuracy. An SMO with adaptive observer gain and a cascade LPF with variable cut-off frequency are designed to overcome the conventional SMO problems. The adaptive observer gain is aimed to reduce the chattering problem in the entire speed operation instead of the constant gain observer and deduced from the Lyapunov stability analysis. Experimental results also show that the estimated rotor angular position on the proposed strategies gives precise estimation.

iv MỤC LỤC 0909. iv MUC LUCoeeeecesscsssesssesssesssssssssssssssssssssssssssssssssssssssusssusssssssusssusssssssesssssssusssesssesssesssessseeesess v MỤC LỤC CÁC HÌNH. viii MỤC LỤC CÁC BẢNG. xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTT.

- 22 2 + +SE+EE£EEE+EE+EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrrkerrker xii 0›19/9)/6816)/909:)2/2NN,.2 Murc ti€u ctia LUAn Van.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.4 Phương pháp nghiên CỨU.---- - ¿11121 E1 1 19111 11101 HH HH Hàng 3 1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.- cá sen TH re 3 1.6 Bố cục luận văn.- -- 2 + ©k E9 kEE11211111111211111111 1111 1111111 111111 1 cty 3 CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN ĐỘNG CƠ PMSM.2 Phương trình toán của PMSM.-- tàng HH nghi 6 2.1 Phương trình toán trong miền pha abc. Phương trình trong hệ tọa độ trực giao dq0.3 Giới thiệu về hệ thống điều khiển động cơ.1 Phương pháp điều khiển vô hướng.2 Phương pháp điều khiển dựa theo từ thông rotOr. Phương pháp điều khiển mô men trực tiẾp.4 Mô hình toán phương pháp điều khiển PMSM dựa trên hướng từ thông.1 Biến đối Clark. Điều khiển PI.

Biến đổi Park ngƯỢC. Biến đổi Clark ngược .--:-2++22++2c+tt2EkeEEkEEEkerkkrrrkrrrrkrrrrree 20 CHƯƠNG 3: DIEU KHIEN VAN TOC DONG CO PMSM KHONG CAM BIEN.1 Kỹ thuật ước lượng vị tri/van tốc rotor cho PMSM. Phương pháp tính toán trực tiẾp. Ước tính vị trí rotor PMSM dựa trên lực điện động tương đương.

Phương pháp bù thích ngÌ1. Phương pháp sử dụng chiến lược chế độ trượt thích ứng-MRAS.5 Phương pháp bơm tín hiệu điện áp xung tần số cao.2 Thuật toán quan sát vị trí góc rotor trong bộ quan được để xuắt.1 Mô hình động của PMSM.1 Thiết kế bộ quan sát chế độ trượt cho PMSM.2 Độ lợi bộ quan sát thích nghi đề xuất cho SMO.3 Bộ lọc thông thấp ghép tang với tần số cắt có thê thay đôi. 38 CHUONG 4: MO PHONG DIEU KHIEN VAN TOC ĐỘNG CƠ PMSM DỰA TRÊN BO QUAN SAT TRUOT CAI TIEN, oocescescssssssssssesssessesstsssessessvessessessvessesavsssessessesasesses 40 4.1 Mô hình hóa mô phỏng.1 Mô hình hóa động cơ PMSÌM.2 M6 hinh hoa b6O inverter.cc ccc cccceccsccssecesscesscesseeesecescessecesecesseeeeeeseeenee 42 4.3 Mô hình hóa bộ điều khiển. -- ¿2 ¿S22 E£EE£EEE+EEeEEEEEEEEkerkerkerrkee 43 4.1 Khối chuyển đổi toán học.-------¿©2+++cx22k2EEEEAEE1EEL.2 Bộ điều khiển vận tốc và bộ điều khiển dòng điện.3 Bộ ước lượng vi tri va vận tỐC TOOT.

2-5 S623 St SE EEEEE1111 11.4 Bộ điều khiển vòng hở.5 Các khối hiển thị đữ liệu.2 Kết quả mô phỏng.--2- 22 ©2++22E++2EEE+2EEEEEEEEEEE E217 221 221ecrrkrrrrree 47 4.1 Vận tốc động cơ 1000 rpm.2 Vận tốc động cơ 2000 rpm.--- 2-22 ©2£+2E£+EEE£EEEEEEEE2A222E221221rxeee 50 4. Vận tốc động cơ 3000 rpm.----2-©2¿-©22+2E£+2EE+EEEEEEEE2E2E2122212212Exeee 53 4. Khi tải thay đổi theo thời gian. Khi vận tốc thay đổi theo thời gian.

62 CHUONG 5: THUC NGHIEM DIEU KHIEN VAN TOC DONG CO PMSM DUA TREN BO QUAN SAT TRUOT CAI TIEN .1 XAy dung m6 hinh diéu khién dong co PMSM .1 BG kit thé mghiQm .2 Card điều Kni6t eo ecccecccecccccccscssesssesssesssesssesssecssesssesssessuesssssesssesssesssessseessess 67 5. SH HH HH HH HT TH HH Hit 69 5.2 Thực nghiệm điều khiển động cơ PMSM.-2-22-©22+222S2EZcEEEcrxeerkeerkee 72 CHƯƠNG 6ó: KÉT LUẬN VÀ KIÊN NGHHỊ,.--- -- 2 + £+EE+EE£EEE+EEeEkrreerxee 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO.- 2-52 2 SE9EE9EE9EEEEEESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE111E11 11.1 ExeE 78 vii MỤC LỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Mô hình tương đương cơ khí và điện của PMSM.2 Các kỹ thuật điều khiển phô biến trong PMSM.3 Sơ đồ khối điều khiển W/f.4 Sơ đồ khối phương pháp điều khiên FOC.5 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điều khiên DTC cơ bản.7 Biến đổi Park.8 Nguyên tắc hoạt động trong khối điều chỉnh PI.9 Chuyên đổi Park ngược.10 Biến đổi Clark ngược.1 Sơ đồ khối của truyền động PMSM với hai vòng điều khiên.2 Triển khai SMO dựa trên EME tương đương.3 Sơ đồ khối điều khiển sử dụng EMF tương đương.4 Khối điều khiến PMSM dựa trên xử lý tín hiệu PLL-SFF trong [43] .5 Sơ đồ khối ước tính tốc độ trong [444].------- «¿+2 ©+2+z+++zx+zx+zzxezzee 28 Hình 3.6 Sơ đồ khối của điều khiển cảm biến bơm tín hiệu điện áp tần số cao.7 Sơ đồ khối của một PMSM điều khiển vector với SMO.8 Sơ đồ khối của một SMO cơ bản với hàm bảo hòa.9 Sơ đồ khối của SMO được đề xuất với hàm bão hòa.1 Hệ thống điều khiển động cơ PMSM được đề xuất.2 Giao diện thông số động cơ P50B07030DXS trong mô phỏng.3 Giao dién khéi ngudn DC ooccccccscccseesssesssesssesssesssesssesssesssesssecssecsuecssecsnessnessseease 42 Hình 4.4 Giao diện khối bán dẫn công suất bộ nghịch lưu.5 Sơ đồ khối điều khiễn.---¿-22+©2++2CEE2EEEtSEEEtEEEEtEEErerrkrrrrrrerkrrrrks 43 Hình 4.6 Khối chuyên đổi Clark và Clark ngược .-:¿-++cx++czxrerxeezrxs 44 Vili Hình 4.7 Khối chuyên đôi Park và Park ngược.8 Mô phỏng khối điều khiển FOC .9 Bộ ước lượng vị trí và vận tỐC TOOT.10 Bộ điều khiển vòng hở.11 Khối hiển thị các thông số.---2- 2 ©2¿©££+E2EE£2EE+2EE2EE22EEEEtrxerrxee 47 Hình 4.12 Vận tỐc rotor trong tính toán và thực T1.13 Sức điện động phản kháng được ước lượng .14 Vị trí góc rotor trong tính toán và thực tẾ.----¿-++cx++czxrecxezrxs 49 Hình 4.15 Điện áp điều khiển inverter trong hệ trục tọa độ ơœƒ .16 Vận tỐc rotor trong tính toán và thực 1 .17 Sức điện động phản kháng được ước lượng.18 Vị trí góc rotor trong tính toán và thực tẾ.-----¿-++ccx++czxrecxeesrxs 52 Hình 4.19 Điện áp điều khiển inverter trong hệ trục tọa độ œÿ.20 Vận tỐc rotor trong tính toán và thực 1 .21 Sức điện động phan khang durgc w6c Wong. eee ects te eeeeeeeees 54 Hình 4.22 Vị trí góc rotor trong tính toán và thực tẾ.----¿-++cx++czxrerxxcrxs 55 Hình 4.23 Điện áp điều khiển inverter trong hệ trục tọa độ œÿ.24 Vận tỐc rotor trong tính toán và thực 1 .25 Sức điện động phản kháng được ước lượng.26 Vị trí góc rotor trong tính toán và thực tẾ.