I. Tổng quan
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ vào những ưu điểm vượt trội như tốc độ cao và độ chính xác cao. Tuy nhiên, việc sử dụng cảm biến để đo tốc độ và vị trí rotor làm tăng chi phí và kích thước của hệ thống. Để khắc phục vấn đề này, nghiên cứu ứng dụng thuật toán Kalman mở rộng trong điều khiển động cơ không cảm biến bằng công nghệ FPGA là một giải pháp khả thi. Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển một hệ thống điều khiển thông minh, giúp giảm thiểu chi phí và tăng tính hiệu quả trong việc điều khiển động cơ. Việc áp dụng FPGA cho phép thực hiện các tính toán phức tạp trong thời gian thực, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống điều khiển.
1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên thế giới về điều khiển động cơ không cảm biến, tuy nhiên, hầu hết đều dựa trên các bộ xử lý tín hiệu số (DSP) với chi phí cao. Tại Việt Nam, chưa có nghiên cứu nào công bố về việc ứng dụng FPGA trong điều khiển động cơ không cảm biến. Điều này mở ra cơ hội cho nghiên cứu này, nhằm phát triển một phương pháp điều khiển mới, tiết kiệm chi phí và hiệu quả hơn.
II. Cơ sở lý thuyết
Ngôn ngữ lập trình VHDL được sử dụng để mô tả phần cứng cho các mạch tích hợp tốc độ cao. VHDL cho phép thiết kế hệ thống từ mức cao đến mức cổng, giúp dễ dàng mô phỏng và kiểm tra các thiết kế. Ưu điểm của VHDL bao gồm tính công cộng, khả năng hỗ trợ nhiều công nghệ và phương pháp thiết kế, độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng, và khả năng mô tả mở rộng. Những đặc điểm này làm cho VHDL trở thành một công cụ mạnh mẽ trong việc phát triển các hệ thống điều khiển động cơ.
2.1. Ngôn ngữ lập trình VHDL
VHDL được phát triển để giải quyết các khó khăn trong việc phát triển và lập tài liệu cho các hệ thống số. Ngôn ngữ này cho phép người thiết kế mô tả hệ thống một cách chính xác và dễ dàng, từ đó giúp việc bảo trì và sửa chữa trở nên thuận lợi hơn. VHDL cũng hỗ trợ việc thiết kế các IC ứng dụng đặc biệt, cho phép người thiết kế không cần quan tâm đến công nghệ phần cứng cụ thể.
III. Thiết kế bộ điều khiển
Thiết kế bộ điều khiển cho động cơ đồng bộ không cảm biến bao gồm việc xây dựng mô hình toán học cho động cơ, thiết kế bộ lọc Kalman mở rộng và điều chế vector không gian (SVPWM). Bộ lọc Kalman mở rộng giúp ước lượng vị trí và tốc độ rotor một cách chính xác, từ đó cải thiện hiệu suất điều khiển. Việc sử dụng FPGA cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển trong thời gian thực, đảm bảo độ chính xác và độ ổn định của hệ thống.
3.1. Thiết kế bộ lọc Kalman
Bộ lọc Kalman mở rộng được thiết kế để ước lượng trạng thái của động cơ trong điều kiện không có cảm biến. Bộ lọc này giúp giảm thiểu nhiễu và cải thiện độ chính xác của các thông số điều khiển. Việc áp dụng bộ lọc Kalman trong điều khiển động cơ không cảm biến là một bước tiến quan trọng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí sản xuất.
IV. Kết quả mô phỏng
Mô phỏng hệ thống điều khiển được thực hiện bằng phần mềm Matlab/Simulink và Modelsim. Kết quả cho thấy hệ thống điều khiển thông minh có khả năng điều khiển tốc độ động cơ một cách chính xác mà không cần sử dụng cảm biến. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc ứng dụng thuật toán Kalman mở rộng trong điều khiển động cơ không cảm biến bằng FPGA là khả thi và hiệu quả.
4.1. Đánh giá kết quả
Kết quả mô phỏng cho thấy rằng hệ thống điều khiển có thể duy trì tốc độ rotor ổn định trong các điều kiện khác nhau. Việc sử dụng FPGA cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp trong thời gian thực, từ đó nâng cao độ chính xác và độ ổn định của hệ thống. Điều này chứng tỏ rằng ứng dụng thuật toán Kalman mở rộng trong điều khiển động cơ không cảm biến là một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công nghiệp.
