Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện

Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Xe điện đang trở thành xu hướng phát triển toàn cầu, và tại Việt Nam, nhiều dự án nghiên cứu và phát triển xe điện đang được tiến hành tại các phòng thí nghiệm và công ty công nghệ Tác giả quyết định chọn nghiên cứu về xe điện vì bốn lý do quan trọng.

Ô nhiễm môi trường đang trở thành một trong những nguyên nhân chính thúc đẩy việc chuyển đổi từ nhiên liệu truyền thống sang nhiên liệu sạch, nhằm bảo vệ sức khỏe con người và môi trường Trước tình trạng ô nhiễm không khí ngày càng nghiêm trọng, nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam, đã khuyến khích sử dụng phương tiện thân thiện với môi trường Tình hình ô nhiễm không khí tại Việt Nam hiện nay đã vượt quá mức cho phép, chủ yếu do khí thải từ các phương tiện giao thông Do đó, việc thay thế nhiên liệu hóa thạch như xăng và diesel bằng nguồn năng lượng sạch là một giải pháp cần thiết.

Lý do thứ hai cho sự phổ biến của xe máy điện thay vì ô tô điện tại Việt Nam là sự phù hợp với địa hình và thói quen di chuyển của người dân Việt Nam có lượng tiêu thụ xe máy cao nhất thế giới, do đường xá nhiều ngóc ngách, hẻm nhỏ Tuy nhiên, xe máy truyền thống lại là nguồn phát thải khí độc hại chính, vì không đáp ứng tiêu chuẩn an toàn khí thải Do đó, việc chuyển đổi sang xe máy điện không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn là giải pháp thiết thực cho tương lai gần, thể hiện sự văn minh và bảo vệ môi trường.

2 minh mà còn phải xem đó là điều tối quan trọng để bảo vệ môi trường sống của chính mình và cả cộng đồng

Lý do thứ ba cho việc chế tạo xe máy điện thương hiệu Việt là để đáp ứng nhu cầu của thị trường, khi mà xe máy điện vẫn chưa phổ biến tại Việt Nam Một trong những nguyên nhân chính là giá thành sản phẩm cao do ảnh hưởng từ chi phí vận chuyển khi các nhà sản xuất chuyển hướng đầu tư ra nước ngoài Để khắc phục vấn đề này, tác giả đã lựa chọn sử dụng động cơ cảm ứng ba pha, được sản xuất và lắp ráp hoàn toàn tại Việt Nam, nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất, lắp đặt, bảo trì và sửa chữa cho xe máy điện.

Bộ điều khiển động cơ điện là yếu tố quan trọng trong việc vận hành xe, bên cạnh động cơ Hiện nay, động cơ không đồng bộ ba pha chủ yếu được sử dụng trong công-nông nghiệp và điều khiển thông qua bộ biến tần Nhiệm vụ của máy biến tần là chuyển đổi dòng điện ba pha xoay chiều 380-480V 50Hz thành dòng điện ba pha xoay chiều 1-400Hz Việc cài đặt các giá trị như tần số hoạt động, cường độ dòng điện và thời gian đạt tốc độ mong muốn là cần thiết, nhưng không thể thay đổi thông số khi động cơ đang hoạt động Khi động cơ không đồng bộ ba pha được tích hợp trên xe, nguồn cung cấp cho biến tần là điện áp một chiều từ bộ pin Do đó, cần thiết phải thiết kế lại bộ điều khiển cho động cơ không đồng bộ ba pha dựa trên nguyên lý hoạt động của bộ biến tần, phù hợp với cơ chế hoạt động trên xe.

Ba tín hiệu đầu vào, bao gồm vị trí bướm ga và tốc độ xe, được sử dụng để tính toán và xử lý, sau đó truyền tín hiệu đầu ra đến bộ truyền động Các thông số cài đặt đầu vào cần được xác định dựa trên đường cong đặc tính của từng loại động cơ, nhằm đảm bảo khả năng thay đổi lực kéo phù hợp với tải trọng và điều kiện mặt đường Hơn nữa, mạch điều khiển yêu cầu lựa chọn và sắp xếp linh kiện điện tử hợp lý để giảm nhiễu trong điều kiện khắc nghiệt và tăng cường độ ổn định của mạch.

Tình hình nghiên cứu đề tài

Trong những năm gần đây, xe điện đã trở thành một chủ đề nghiên cứu quan trọng tại các trường đại học, với sự đầu tư và phát triển đáng kể Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào xe ô tô lai hoặc xe điện ba bánh phục vụ cho việc vận chuyển hàng hóa và di chuyển ngắn trong khu dân cư Đến nay, vẫn chưa có công bố khoa học chính thức nào về xe máy điện, cho thấy các dự án này vẫn đang trong giai đoạn tìm hiểu và nghiên cứu.

Trong thế kỷ XXI, xe điện (EVs) đã trở thành một trong những phương tiện giao thông xanh được quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu Sự phát triển của công nghệ pin Lithium đã thúc đẩy sự gia tăng đáng kể số lượng xe EV trên toàn cầu Bài viết này tổng quan về các nghiên cứu quan trọng liên quan đến xe điện, phản ánh tình trạng phát triển hiện tại của ngành công nghiệp này.

Nghiên cứu ứng dụng động cơ không đồng bộ ba pha vào xe điện đã được Wang và cộng sự thực hiện, tập trung vào phương pháp điều khiển động cơ và tác động của các sóng hài bậc cao đến hiệu suất vận hành Họ cũng đã áp dụng động cơ này vào xe lai (hybrid car) Bên cạnh đó, một nhóm nghiên cứu khác đã phân tích thiết kế kết cấu của động cơ không đồng bộ ba pha và ảnh hưởng của nó đến vùng làm việc, từ đó đề xuất thiết kế tối ưu bằng phương pháp “niching genetic”.

Jiang và cộng sự đã nghiên cứu việc thay đổi số cực trong cấu trúc động cơ nhằm mở rộng vùng công suất không đổi của động cơ, sử dụng chuỗi Fourier kép để phân tích phổ điện áp và dòng điện ba pha, từ đó suy ra hàm số sóng hài đa bậc Đồng thời, Xue và nhóm của mình đã so sánh hiệu suất, trọng lượng, chi phí, khả năng tản nhiệt, làm mát, tốc độ tối đa và độ tin cậy giữa các loại động cơ, bao gồm động cơ từ trở, động cơ không đồng bộ ba pha và động cơ không chổi than có nam châm vĩnh cửu, với mục tiêu tìm ra động cơ phù hợp nhất cho xe điện.

Phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha đã được nghiên cứu và mô phỏng bởi nhiều tác giả Chern và cộng sự [11] đã sử dụng bộ xử lý tín hiệu số DSP để điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tỉ lệ V/f, cho thấy khả năng đáp ứng tốt với vị trí và tốc độ mong muốn, ngay cả khi có nhiễu từ tải Zhu và đồng nghiệp [12] nhấn mạnh ưu điểm của động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc như cấu tạo đơn giản, chi phí thấp và độ tin cậy cao, nhưng cũng chỉ ra rằng việc điều khiển tốc độ và mô-men xoắn chưa đạt độ chính xác cao Nhóm nghiên cứu đã so sánh phương pháp điều khiển mô-men xoắn trực tiếp kiểu mới với phương pháp truyền thống dựa trên điều chế véc-tơ không gian, và kết quả cho thấy mô-men xoắn và phản ứng từ thông stato được cải thiện đáng kể Hassan [13] đã áp dụng phương pháp điều khiển mờ (Fuzzy) dựa trên trí thông minh nhân tạo để tăng cường hiệu quả điều khiển và tối ưu hóa chi phí vận hành Latt và Win [14] thiết kế bộ điều khiển cho động cơ không đồng bộ 1 pha với tần số biến thiên từ 16Hz đến 56Hz và điện áp không đổi 300V Zhang và cộng sự [15] đề xuất sử dụng bộ quan sát và bộ điều khiển chế độ trượt không cần cảm biến tốc độ, tập trung vào việc kiểm soát mô-men xoắn.

Phương pháp phát triển khả năng kiểm soát tốc độ đã cho thấy hiệu quả cao trong việc ước lượng sự trượt giữa stator và rotor qua các mô phỏng và thí nghiệm Theo Schauder, hiệu suất của động cơ không đồng bộ ba pha điều khiển bằng véc-tơ mà không có cảm biến tốc độ thường kém ở tốc độ rất thấp do sự biến dạng điện áp phi tuyến trong quá trình nghịch lưu Nhóm nghiên cứu đã xây dựng mô hình ước tính từ thông của stator và đề xuất thay đổi điện trở stator trong quá trình vận hành, dẫn đến kết quả động cơ hoạt động ổn định và mượt mà hơn ở vùng tần số thấp.

Qua việc tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước, tác giả nhận thấy rằng hầu hết các nghiên cứu về ứng dụng động cơ không đồng bộ ba pha chủ yếu tập trung vào ô tô điện và xe ô tô lai Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu đáng kể nào liên quan đến xe máy điện hai bánh Do đó, tác giả quyết định tiến hành nghiên cứu về động cơ không đồng bộ ba pha cho xe máy điện hai bánh.

Mục tiêu đề tài

- Tính toán, thiết kế mạch điều khiển dẫn động động cơ không đồng bộ ba pha áp dụng trên xe máy điện

- Xây dựng phương pháp điều khiển dựa trên nguyên lý làm việc của máy biến tần để đánh giá khả năng hoạt động của mạch điều khiển

Đánh giá hoạt động của mạch và phương pháp điều khiển trên động cơ không đồng bộ ba pha là rất quan trọng, đặc biệt khi áp dụng trên băng thử và mô hình xe máy điện Việc nghiên cứu này giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của động cơ, đồng thời tối ưu hóa quy trình điều khiển, đảm bảo hoạt động ổn định trong các ứng dụng thực tế.

Cách tiếp cận

Từ việc khảo sát thị trường và các nghiên cứu liên quan, đi đến nghiên cứu một đối tượng cụ thể

Nghiên cứu này tập trung vào thị trường xe máy điện tại Việt Nam, với sự khảo sát từ các nghiên cứu trong và ngoài nước Tác giả phân tích cụ thể đối tượng xe máy điện hai bánh, sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha dạng rotor lồng sóc.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Động cơ không đồng bộ ba pha

- Mạch điều khiển công suất cho động cơ không đồng bộ ba pha

- Nghiên cứu thuật toán điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dạng rotor lồng sóc

- Thiết kế mạch điều khiển công suất cho động cơ không đồng bộ ba pha dạng rotor lồng sóc 0,3kW và 1,5kW.

Nội dung nghiên cứu

Đề tài này đã thực hiện những nội dung sau:

- Tổng quan các nghiên cứu liên quan

- Thiết kế bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dang rotor lồng sóc.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tổng quan tài liệu được thực hiện bằng cách nghiên cứu các bài báo khoa học từ những nguồn tài liệu uy tín như Sciencedirect, Springer, IEEE và Elsevier Tác giả tải về và phân tích các bài báo này để xác định những vấn đề mà các nhà khoa học trước đây chưa giải quyết, từ đó góp phần mở rộng kiến thức trong lĩnh vực nghiên cứu.

- Phương pháp tính toán lý thuyết và thực nghiệm: tác giả nghiên cứu đưa ra đối tượng nghiên cứu, thiết kế mô hình.

Kết quả dự kiến đạt được

- Xác định các thông số thiết kế của mạch

- Thực hiện thử nghiệm trên mô hình băng thử đối với động cơ 0,3kW và mô hình xe máy điện đối với động cơ 1,5kW.

Bố cục luận văn

Nội dung của luận văn bao gồm các chương sau đây:

- Chương 2: Cơ sở nghiên cứu

- Chương 3: Thiết kế hệ thống

- Chương 4: Thử nghiệm và đánh giá

- Chương 5: Kết luận và kiến nghị

CƠ SỞ NGHIÊN CỨU

Động cơ điện không đồng bộ ba pha

2.1.1 Nguyên lý hoạt động Động cơ điện không đồng bộ là loại động cơ điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng từ, tốc độ quay của rotor khác với tốc độ đồng bộ của từ trường quay [17] Cấu tạo của máy điện không đồng bộ gồm hai bộ phận chính là phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor)

- Gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn stator

Lõi thép stator hình trụ được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện có rãnh dập bên trong, được ghép lại để tạo thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép này được ép chặt vào trong vỏ máy, đảm bảo tính ổn định và hiệu suất hoạt động của thiết bị.

- Dây quấn stator làm bằng dây đồng hoặc dây nhôm có tráng men cách điện

- Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy

- Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuận điện có dập rãnh ghép lại tạo thành các rãnh nghiêng theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục

- Dây quấn rotor: có hai kiểu: rotor dây quấn và rotor ngắn mạch (còn gọi là rotor lồng sóc)

Từ trường ba pha được tạo ra bởi dây quấn ba pha của stator trong động cơ điện xoay chiều Giả sử mỗi pha dây quấn có một phần tử riêng biệt và dòng điện cung cấp cho dây quấn là dòng ba pha đối xứng, như minh họa trong hình 2.1.

Hình 2.1: Phân bố dòng và sức từ động trong dây quấn ba pha

Ta có phương trình dòng điện ba pha của từng dây quấn là: max.sin( 2) iA  I t  (2.1) max.sin( 2 2 3 ) iB  I t    (2.2) max.sin( 2 4 3 ) iC  I t    (2.3)

Xét một động cơ điện không đồng bộ gồm có 3 cuộn dây stator AX, AY, CZ đặt trong

Trong hệ thống 6 rãnh, các trục của dây quấn được sắp xếp lệch nhau trong không gian với góc 120 độ điện Chiều dòng điện trong mặt cắt ngang được quy ước: dấu “+” biểu thị dòng điện đi vào, trong khi dấu “-” biểu thị dòng điện đi ra.

Hình 2.2: Từ trường quay ba pha

Xét tại từng thời điểm, ta thấy được phương chiều, trị số của từ trường do dây quấn ba pha tao ra như sau:

  , dòng I A cực đại, dòng I B & I C < 0, lúc này sức từ động pha A cực đại, F A F m Dựa vào quan hệ các véc-tơ sức từ động của ba pha, ta có:

   , dòng I B cực đại, dòng I A & I C < 0, lúc này sức từ động pha B cực đại, F B  F m Và:

   , dòng I C cực đại, dòng I B & I A < 0, lúc này sức từ động pha C cực đại, F C F m Và:

Khi rotor quay một vòng hoàn chỉnh (2π), dòng điện và sức từ động sẽ trở lại trạng thái ban đầu Tốc độ dịch chuyển của sức từ động phụ thuộc vào tốc độ góc ω của dòng điện xoay chiều và số cực từ trong máy điện Sức từ động trong động cơ điện xoay chiều ba pha đối xứng có giá trị không đổi, nhưng phương chiều của nó biến đổi theo quỹ tích vòng tròn trong không gian dọc theo khe hở từ, được gọi là sức từ động ba pha quay hay từ trường quay.

Dòng điện xoay chiều ba pha trong dây quấn ba pha đối xứng của máy điện tạo ra từ trường quay, mang lại nhiều ưu điểm Từ trường này tương tác với các thanh dẫn của dây quấn rotor, gây ra hiện tượng cảm ứng điện động trong dây quấn Sự kết nối của dây quấn rotor là yếu tố quan trọng trong quá trình này.

Sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn rotor tạo ra dòng điện, dẫn đến lực tương tác giữa từ trường quay và các thanh dẫn này Lực này kéo rotor quay theo chiều quay của từ trường, nhưng với tốc độ chậm hơn so với tốc độ quay của từ trường trên stator.

2.1.2 Điều khiển tốc độ động cơ Độ chênh lệch tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor được gọi là tốc độ trượt Công thức (2.7) [19] thể hiện mối quan hệ giữa độ trượt, tần số cung cấp và số cực đến tốc độ của động cơ (rotor)

Tốc độ thực của động cơ điện chịu ảnh hưởng bởi tần số hoạt động, số cực và độ trượt giữa stator và rotor Số cực là yếu tố cố định trong quá trình hoạt động, do đó, tốc độ động cơ phụ thuộc vào độ trượt và tần số Điều này có nghĩa là tốc độ thực tế của xe máy điện có thể điều chỉnh thông qua việc thay đổi tần số động cơ, nhằm đạt được tốc độ mong muốn với độ trượt tối thiểu.

Việc thay đổi tần số mà giữ biên độ điện áp không đổi sẽ làm tăng dòng điện cung cấp cho động cơ Dòng điện này có hai nhiệm vụ chính: tạo ra từ thông để sinh ra sức điện động trên rotor, gọi là dòng từ hóa, và phần còn lại biến thành nhiệt gây hao tổn, làm giảm tuổi thọ động cơ Khi dòng điện đạt đến một mức nhất định, sẽ xảy ra hiện tượng bão hòa từ, khiến dòng từ hóa không thể tăng thêm, và nếu dòng điện tiếp tục tăng, chỉ tạo ra tổn thất và dẫn đến quá nhiệt Ngược lại, nếu từ thông giảm xuống dưới mức định mức, momen động cơ sẽ giảm Do đó, việc giảm tần số cung cấp cho động cơ xuống dưới tần số cơ bản thường đi kèm với việc giảm điện áp theo tỷ số V/f không đổi, nhằm duy trì từ thông ổn định trong vùng tuyến tính.

Ở tần số thấp (f < fb), điện trở stato có ảnh hưởng rõ rệt đến việc giảm từ thông, dẫn đến tần số tối thiểu thấp hơn nhiều so với momen kéo ở tần số cao, gây khó khăn cho các tải yêu cầu momen khởi động cao Để cải thiện hiệu suất ở tần số thấp, có thể tăng tỷ lệ V/f nhằm duy trì thông lượng đầy đủ, một kỹ thuật được gọi là tăng áp.

Khi động cơ đạt tốc độ tối đa theo định mức, tần số f có thể được khuyến khích vượt quá giá trị định mức (f > frated) trong khi vẫn duy trì điện áp định mức, nhằm tăng tốc độ động cơ Trong tình huống này, động cơ hoạt động trong vùng có từ thông giảm, nhưng vẫn đảm bảo tính ổn định nếu không có sự thay đổi bất thường về phụ tải.

Để điều chỉnh tốc độ động cơ, cần thay đổi điện áp cung cấp và tần số đầu vào, phù hợp với vùng làm việc và chế độ hoạt động của động cơ.

Bộ nghịch lưu áp ba pha

Xe máy điện sử dụng pin lithium-ion làm nguồn năng lượng cho động cơ, cung cấp điện một chiều Để chuyển đổi điện áp từ một chiều sang điện áp xoay chiều ba pha với tần số và điện áp biến thiên, cần có bộ nghịch lưu áp ba pha Bộ nghịch lưu áp ba pha là một thành phần quan trọng trong hệ thống biến tần của xe máy điện.

Bộ nghịch lưu áp có chức năng chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều thông qua quá trình chuyển mạch cưỡng bức Quá trình này được thực hiện nhờ các linh kiện bán dẫn, đảm bảo hiệu suất và độ ổn định trong việc chuyển đổi điện năng.

 Khóa bán dẫn công suất

Bộ nghịch lưu áp, như được thể hiện trong Hình 2.4, có cấu trúc cơ bản bao gồm các khóa bán dẫn Các linh kiện bán dẫn cưỡng bức (IGBTs) trong bộ này thực hiện chức năng nghịch lưu điện áp từ một chiều sang xoay chiều.

Các thuật toán điều khiển động cơ tập trung vào việc điều chỉnh các khóa bán dẫn để thay đổi điện áp, dòng điện, thời gian chuyển pha và tần số đầu ra, nhằm phù hợp với đặc tính tải của động cơ IGBT, một loại transistor công suất, thường được sử dụng do khả năng chịu đựng điện áp và dòng điện lớn, cùng với độ sụt áp hợp lý khi dẫn điện Ưu điểm nổi bật của IGBT là khả năng đóng ngắt nhanh, khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các bộ biến đổi điều chế xung tần số cao.

Khi áp dụng điện thế dương lên cực G của transistor NPN, các hạt mang điện loại N sẽ được kéo vào kênh P gần cực G, dẫn đến việc làm giàu điện tích tại mạch cổng P Điều này khiến transistor dẫn điện và cho phép IGBT hoạt động Để ngắt IGBT, chỉ cần ngắt điện thế cấp cho cực G, từ đó ngắt kênh dẫn P.

Hình 2.5: Sơ đồ mạch tương đương của IGBT

2.2.2 Nghịch lưu điện áp bằng phương pháp SPWM

Phương pháp SPWM, hay còn gọi là điều chế độ rộng xung theo hàm sin, là kỹ thuật tạo ra điện áp có hình dạng gần giống với sóng sin Phương pháp này cho phép điều chỉnh điện áp mong muốn bằng cách so sánh hai tín hiệu cơ bản.

Sóng mang, với tần số cao, có hình dạng tam giác và khi tần số tăng, lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều hơn Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao sẽ dẫn đến tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt tăng, gây ra tổn hao nhiệt.

Sóng điều khiển, hay tín hiệu điện áp tham chiếu, là sóng điều chế dạng hình sin mang thông tin về độ lớn, trị số hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, tín hiệu xung tam giác tần số cao được so sánh với điện áp sin chuẩn Nếu tín hiệu đầu ra được cung cấp cho bộ nghịch lưu 1 pha, đầu ra sẽ nhận được điện áp PWM có tần số bằng tần số hình sin mẫu Biên độ sóng hài bậc nhất phụ thuộc vào điện áp cung cấp và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và sóng mang Khi điện áp sóng điều chế lớn hơn điện áp sóng mang, tín hiệu PWM ở đầu ra sẽ hiển thị mức cao, ngược lại, nếu điện áp sóng sin điều chế thấp hơn điện áp sóng mang, tín hiệu PWM sẽ thấp.

15 cam) và song điều chế (màu đỏ), kết quả của sự so sánh này là tạo ra mức cao và mức ở tín hiệu đầu ra

Nghịch lưu áp ba pha chủ yếu được sử dụng với biến điệu bề rộng xung để đảm bảo điện áp ra có dạng hình sin, đồng thời giúp điện áp không phụ thuộc vào tải nhờ vào biến điệu bề rộng xung hai cực tính, cho phép điều khiển độc lập từng pha Để điều khiển động cơ theo tỷ lệ V/f bằng phương pháp SPWM, tần số sóng mang cần được thiết lập cao hơn tần số sóng điều chế, nhằm đảm bảo tín hiệu đầu ra mịn màng nhất cho tải.

Tần số sóng mang thường dao động trong khoảng 5-15KHz, tùy thuộc vào chế độ tải trọng Tần số càng cao giúp loại bỏ nhiều sóng hài bậc cao, nhưng cũng gây tổn hao nhiệt cho các khóa bán dẫn Ngược lại, tần số quá thấp có thể làm cho tín hiệu đầu ra không ổn định, dẫn đến tình trạng suy tần.

Tần số sóng mang (fCarrier) được tạo ra bởi vi điều khiển Atmega328P thông qua việc khởi tạo giá trị cho thanh ghi TCNT0, một thanh ghi 8 bit của bộ định thời Timer0 Atmega328P hỗ trợ ba chế độ PWM trong Timer0, bao gồm chế độ Clear Time On Compare Match (CTC), chế độ Fast PWM và chế độ Phase Correct PWM Để đơn giản hóa việc cài đặt tần số sóng mang, người dùng có thể thiết lập một giá trị tần số cố định, thường nằm trong khoảng 8-10KHz, nhằm đảm bảo các khóa bán dẫn không bị quá nhiệt.

Ta có công thức để tính tần số như sau:

Fosc là tần số xung nhịp của thạch anh trong bộ vi điều khiển, thường được đặt ở mức cao nhất là 16MHz Hệ số chia của tần số được ký hiệu là N, với các giá trị có thể là 1 hoặc 8.

Hình 2.7 [25] minh họa quá trình tạo PWM, trong đó thanh ghi TCNT0 đếm từ 0x00 đến 0xFF, tăng lên một đơn vị mỗi chu kỳ xung nhịp Giá trị của thanh ghi TCNT0 được so sánh với OCRxn; trong chế độ “không biến tần”, khi TCNT0 bằng OCRxn, điện áp đầu ra sẽ giảm xuống thấp và sau một chu kỳ, điện áp sẽ được đặt lại cao Quá trình thay đổi mức điện áp này, kết hợp với sự biến đổi của OCRxn, tạo ra các xung vuông với tần số và độ rộng mong muốn.

Hình 2.7: Mô tả chức năng của thanh ghi TCNT0

Sóng điều chế được hình thành thông qua bảng tra cứu các giá trị từ 0 đến π, đại diện cho nửa chu kỳ của sóng sin chuẩn Sóng điều chế này chứa thông tin về điện áp hiệu dụng (RMS) và tần số đầu ra (foutput) Sự thay đổi trong biên độ và tần số của sóng điều chế sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ và tần số của điện áp đầu ra.

2.2.4 Thiết lập sóng điều chế

Tần số sóng điều chế hình sin thay đổi theo số lượng phần tử (Nelements) trong bảng tra cứu, với giá trị các phần tử dao động từ 0 đến 255 tương ứng với giá trị thanh ghi OCnx Thanh ghi OCnx cập nhật giá trị phần tử tiếp theo sau mỗi vòng lặp, và sau khi cập nhật tất cả giá trị từ 0 đến π, nó chuyển sang chế độ "inverter" để thực hiện bán chu kỳ âm tiếp theo Tần số sóng điều chế cao hơn đồng nghĩa với thời gian hoàn thành một chu kỳ ngắn hơn, dẫn đến số phần tử trong bảng tra cứu ít hơn, và ngược lại Mối quan hệ giữa số phần tử trong bảng tra cứu và tần số sóng điều chế hình sin được xác định qua công thức (2.9).

Tính toán các tham số cho mạch điều khiển

Mạch điều khiển động cơ tổng quát bao gồm bốn thành phần chính: phần điều khiển, mạch dẫn động khóa công suất, các khóa bán dẫn và bộ lọc đầu ra Việc thiết kế mạch có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào công suất của động cơ và các yếu tố bên ngoài để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Hình 2.9: Sơ đồ tổng quát mạch điều khiển động cơ

2.3.1 Mạch dẫn động khóa công suất (bootstrap)

Mạch dẫn động khóa công suất có nhiệm vụ điều khiển các khóa bán dẫn ở phía cao và thấp thông qua ba thành phần chính: tụ, diode và điện trở Khi khóa bán dẫn phía cao đóng, khóa phía thấp sẽ dẫn, kéo chân VS xuống đất bằng cách cho dòng điện từ nguồn VCC nạp vào tụ điện khởi động qua diode Vf Sau đó, khi khóa phía thấp đóng, năng lượng tích trữ trong tụ Cbs sẽ được giải phóng qua khóa phía cao.

VB đến chân HO, khi đó khóa phía cao sẽ dẫn

Hình 2.10: Mạch dẫn động khóa công suất của một cặp khóa bán dẫn (kênh đơn)

Tụ điện Cbs là thiết bị quan trọng trong việc tích lũy năng lượng, giúp điều khiển đóng dẫn khóa ở mức cao Dung lượng của tụ điện được xác định bằng thương số của điện tích.

Cường độ dòng điện chạy qua bề mặt là lượng điện tích di chuyển trong một đơn vị thời gian, liên quan đến hiệu điện thế U đặt vào tụ điện Tổng điện tích của tụ điện Cbs được xác định bởi tổng các điện tích thành phần đi qua nó, trong khi điện áp Vbs là hiệu điện thế áp dụng lên tụ điện.

Điện áp rơi tối thiểu (ΔVbs) cần thiết để điều khiển khóa bán dẫn công suất ở phía cao được xác định bằng cách lấy điện áp từ nguồn cung cấp trừ đi các điện áp liên quan đến quá trình sạc cho tụ điện Cbs Dòng điện từ nguồn (VCC) đi qua diode (Vf), tụ (Vbs), và cực CE (VCE) của khóa bán dẫn phía thấp, sau đó đi qua điện trở điều tra cường độ dòng điện (Vrs) trước khi xuống đất, tạo thành một mạch kín Từ đó, điện áp tối thiểu có thể được tính toán.

Trong đó Vge là điện áp tối thiểu có thể biến phần tử nguồn ở mức thấp trong quá trình sạc

Tổng điện tích Qtotal của tụ điện Cbs được xác định thông qua cường độ dòng điện giữa hai bản cực trong một đơn vị thời gian Công thức tính tổng điện tích Qtotal bao gồm điện tích của từng phần tử, cụ thể là điện tích khóa bán dẫn phía cao (Qg), năng lượng chuyển mức cần thiết mỗi chu kỳ (Qls), và điện tích tĩnh để mở khóa bán dẫn phía cao (Qqbs).

Tụ Cbs được xác định trong (3.7) là giá trị dung lượng tối thiểu, nhưng việc chọn tụ có giá trị này có thể dẫn đến quá tải và hỏng IC do sai số sản xuất hoặc các yếu tố bên ngoài Để đảm bảo an toàn và hiệu suất, người ta thường lựa chọn tụ điện có dung lượng lớn hơn giá trị định mức từ 6 đến 10 lần.

Trong mạch dẫn động khóa công suất, tụ điện Cbs, điện trở và diode hấp thụ sức điện động đều quan trọng cho việc nạp tụ Sử dụng diode phục hồi nhanh giúp giảm thiểu điện tích phóng ngược về nguồn VCC khi tụ điện Cbs phóng Bên cạnh đó, việc đặt một điện trở cạnh diode sẽ hạn chế dòng sạc vào tụ điện, góp phần tối ưu hóa hiệu suất mạch.

Hình 2.11: Quá trình phóng tụ điều khiển khóa bán dẫn phía cao

Điện trở tại cực điều khiển G của khóa bán dẫn (RFW) cần được tính toán cẩn thận vì nó ảnh hưởng đến thời gian đóng dẫn của khóa Khi năng lượng từ tụ Cbs được giải phóng, dòng Ig sẽ chạy qua điện trở nội (RHS) ở phía cao của mạch.

Khóa công suất được dẫn động qua điện trở RFW, dẫn đến việc bật khóa bán dẫn công suất phía cao Với giá trị điện trở RHS không đổi, dòng Ig sẽ phụ thuộc vào giá trị RFW, cho phép mở khóa phía cao ở mức điện áp thấp nhất, tương ứng với điện áp ngưỡng của cực G-E.

Bên trong các khóa bán dẫn IGBT, có các tụ ký sinh được bố trí giữa các cực, và khi áp dụng điện áp cho cực G, dòng điện sẽ nạp vào các tụ điện này.

Khi VGE tỷ lệ với độ mở của cực C-E, sự thay đổi của VCE dẫn đến sự biến đổi điện áp tại cực G-E, khiến tụ điện ở cực C-G (CCG) bắt đầu nạp do hiệu ứng Miller Do đó, lượng điện tích Q đi qua khóa trong khoảng thời gian TON xác định giá trị của dòng Ig.

Khi các khóa bán dẫn IGBT chuyển đổi giữa trạng thái dẫn và ngắt, một năng lượng sẽ được phóng ra ở cực C-G.

Nếu điện áp ngược vượt quá điện áp ngưỡng (VGE(th)), khóa IGBT sẽ tự kích hoạt, gây ra hiện tượng trùng dẫn và có thể làm hỏng mạch Để ngăn chặn tình trạng này, cần lắp thêm một diode và một điện trở nhằm khôi phục xung và giảm điện áp ngược, đảm bảo rằng điện áp ngược luôn nhỏ hơn điện áp ngưỡng của cực G-E, từ đó tránh hiện tượng tự dẫn.

Điện áp đầu ra từ các khóa bán dẫn công suất IGBT thường bị ảnh hưởng bởi gợn sóng điện áp và gợn sóng cao tần Do đó, việc sử dụng bộ lọc là cần thiết để loại bỏ sóng hài bậc cao, giúp giảm thiểu gợn sóng đầu ra một cách hiệu quả.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Thiết kế mạch điều khiển

Mạch điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha thực hiện hai chức năng chính: điều khiển tốc độ theo yêu cầu và tự ngắt quá dòng để bảo vệ mạch Thiết kế mạch điều khiển này phù hợp cho các loại động cơ có công suất từ 1,5kW trở xuống Trong mạch, khối bán dẫn công suất và mạch dẫn động các khóa công suất được sử dụng lần lượt là IHW20N120R2 và IR2103, như được trình bày trong bảng 3.1 và bảng 3.2.

Bảng 3.1: Thông số cơ bản của IGBT IHW20N120R2

Tham số Kí hiệu Giá trị Đơn

Min Trung bình Max vị Điện áp C-E VCE - - 1200

V Điện áp ngưỡng G-E VGE(th) 5,1 5,8 6,4 Điện áp kích G-E VGE ±20 ±25 Điện áp bão hòa C-E VCE(SAT) 1,55 Điện áp G-E đủ để mở cổng VGE(min) 9 - - Điện áp thuận của diode VF - 1,45 1,7

Tốc độ biến thiên điện áp đầu ra dVS/dt - 3 -

Dòng điện C-E IC - 40 - A Điện tích cổng G QG - 143 - nC Điện tích cổng G-C CGC - 19 - pF Điện tích cổng G-E CGE - 15 - pF Điện dung cổng G-C CGC - 47 - pF

Dòng rò G-E IGES - - 100 nA Điện dung đầu vào Ciss - 1887 - Điện dung đầu ra Coss - 59 - pF

Bảng 3.2: Thông số cơ bản của mạch dẫn động khóa công suất IR2103

Tham số Kí hiệu Giá trị Đơn

Min Trung bình Max vị Điện áp nổi phía cao VB VS+10 - VS+20

V Điện áp bù phía cao VS - - 600 Điện áp đầu ra phía cao VHO VS - VB Điện áp nguồn VCC 10 - 20 Điện áp đầu ra phía thấp VLO 0 - VCC

Mức logic HIN&LIN VIN 0 - VCC

Dòng rò điện áp bù ILK - - 50

Dòng tĩnh QBS IQBS - 30 55 uA Điện trở nội phía cao RHS - 10 - Ω Điện trở nội phía thấp RLS - 8 - Ω

Sơ đồ mạch tổng quát của bộ điều khiển động cơ được trình bày trong hình 3.1 Các tính toán dựa trên phạm vi hoạt động của linh kiện điện từ và điện áp, tần số đầu vào cài đặt Động cơ điện được kết nối theo hình tam giác, sử dụng điện áp 240V và tần số hoạt động từ 3-50Hz Để đơn giản hóa, tần số điều khiển và tần số sóng mang được chọn là 50Hz và 7800Hz, đảm bảo các tần số thấp hơn nằm trong mức cho phép Điện trở hồi tiếp dòng điện được chọn là điện trở shunt với giá trị 5mΩ.

Hình 3.1: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ

 Mạch dẫn động khóa công suất IR2103

Tụ điện trong mạch dẫn động khóa công suất, hay còn gọi là tụ điện mạch bootstrap, thường là loại tụ gốm 50V do có chỉ số điện trở nội ký sinh (ESR) thấp, giúp giảm thiểu gợn sóng Dung lượng của tụ điện được xác định theo các công thức (2.12), (2.13) và (2.14).

15 1,,7 9 1,55 0,005.25 g ls qbs total bs cc f ge ce rs

Khi lựa chọn hệ số an toàn cho tụ điện, nên chọn khoảng từ 10 đến 15 lần để đảm bảo tụ không bị quá nạp và tránh nguy cơ cháy nổ Điện trở cổng "ON" và "OFF" của khóa bán dẫn có công suất nhỏ 1/4W Công thức tính điện trở khi ở trạng thái "ON" và "OFF" được quy định trong các công thức (2.16) và (2.19).

BW LS dVs g GC dt

Bộ lọc đầu ra giúp giảm biên độ của các hài bậc cao, với điều kiện tần số cắt phải lớn hơn 50Hz và nhỏ hơn 7800Hz Dựa trên các điều kiện này, kết hợp với công thức (2.24) và (2.25), ta có thể xác định giá trị của tụ điện và cuộn cảm tương ứng.

Các thành phần linh kiện chính trong mạch điều khiển là:

Sau khi hoàn tất việc tính toán các tham số cụ thể cho mạch, tác giả tiến hành thiết kế mạch in PCB nhằm sắp xếp các linh kiện trong mạch một cách hợp lý.

Hình 3.2: Sơ đồ mạch in PCB

Từ sơ đồ mạch và các thành phần linh kiện được xác định phía trên, một mạch điều khiển mẫu đã được thiết kế như ở hình 3.3

Trong quá trình hoạt động của mạch điều khiển động cơ, các khối IGBTs cần đóng ngắt nguồn điện lớn, do đó, việc làm mát liên tục là rất quan trọng để ngăn ngừa quá nhiệt và cháy nổ Để đảm bảo hiệu suất làm mát, IGBTs được làm mát bằng gió thông qua tấm tản nhiệt nhôm lớn được lắp đặt phía sau.

Để giám sát nhiệt độ làm việc, 36 cảm biến sẽ được lắp đặt xung quanh tấm nhôm tản nhiệt Thông số kỹ thuật của mạch điều khiển được trình bày chi tiết trong Bảng 3.3.

Bảng 3.3: Thông số thiết kế kỹ thuật của mạch điều khiển

Tham số Giá trị Đơn vị Điện áp ngõ vào DC tối đa 600 V Điện áp ngõ vào DC định mức 240 V

Dải điện áp hoạt động của Inverter 100-240 V

Dòng ngắn mạch tối đa 15 A

Thiết kế mạch bảo vệ quá dòng

Mạch bảo vệ quá dòng hoạt động bằng cách cảm nhận cường độ dòng điện qua điện trở shunt và so sánh với mức cường độ đã được cài đặt Khi dòng điện vượt quá giới hạn cho phép, mạch bảo vệ sẽ ngay lập tức ngắt dòng điện đến động cơ để ngăn chặn hiện tượng quá dòng và ngắt mạch Sơ đồ mạch bảo vệ được thể hiện trong hình 3.4.

Hình 3.4: Sơ đồ mạch in PCB

Trong mạch bảo vệ, vi điều khiển AVR-Attiny85A được sử dụng làm bộ điều khiển chính, giúp cảm nhận dòng điện và ngắt kết nối giữa hệ thống pin và động cơ Để tăng cường độ ổn định cho hệ thống, khóa dẫn công suất được điều khiển cách ly bởi Opto PC817 Hình 3.5 và 3.6 minh họa sơ đồ mạch in và mạch thực tế.

Hình 3.5: Mạch in PCB của mạch bảo vệ

Hình 3.6: Mạch bảo vệ thực tế

Phương pháp điều khiển động cơ

Để xây dựng lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển, cần một sơ đồ thời gian mô tả các hoạt động chính của vi điều khiển, bao gồm bốn giai đoạn: đọc tín hiệu cảm biến vị trí tay ga, đọc tín hiệu tốc độ hồi tiếp động cơ, so sánh sai số giữa tốc độ thực tế và tốc độ tham chiếu, và thực hiện điều xung SPWM trên bộ định thời Timer0 Các sự kiện này diễn ra liên tục trong suốt quá trình hoạt động của vi điều khiển Chu kỳ vòng lặp của vi điều khiển được thiết lập bằng thời gian hoạt động của bộ định thời 8bit, với Timer0 và Timer1 có giá trị 8bit, cho phép thanh ghi TCNT0 đi từ 0 đến 255 mất 256 chu kỳ máy Dựa trên bộ dao động thạch anh 16MHz và bộ chia tần số 8, chu kỳ máy của vi điều khiển là 128us, do đó chu kỳ điều khiển được thiết lập là 128us Giản đồ thời gian mô tả các mốc thời gian làm việc của vi điều khiển, trong khi đó, chu kỳ của thanh ghi TCNT1 tại bộ định thời Timer1 sử dụng bộ chia 1024 tương đương với 16.32ms.

Sau khi trình bày các hoạt động cơ bản của vi điều khiển, tác giả giới thiệu hai phương pháp điều khiển: điều khiển vòng lặp hở (open-loop) và điều khiển vòng lặp kín (closed-loop) Mỗi phương pháp này sẽ được giải thích chi tiết về mục đích và ý nghĩa trong các phần tiếp theo.

3.3.1 Phương pháp điều khiển vòng lặp hở Ở phương pháp điều khiển đơn giản bằng cách giữ nguyên giá trị V/f ở tất cả các dải tần số khác nhau Mỗi dải tần số sẽ tương ứng với một tốc độ nhất định, giá trị tốc độ này được xem như bằng với giá trị cài đặt đầu vào (set point) Giá trị cài đặt đầu vào được lấy từ cảm biến vị trí tay ga Ở các vùng tần số thấp, một lượng điện áp được bù vào để đảm bảo momen không đổi

Phương pháp điều khiển vòng hở sử dụng tín hiệu tốc độ mong muốn từ vị trí tay ga dưới dạng điện áp 0-5V Vi điều khiển sẽ tính toán tần số đầu ra (f) và biên độ điện áp (V), sau đó xuất xung vuông với độ rộng xung (Duty Cycle) thay đổi liên tục để tạo ra điện áp đầu ra giống sóng hình sin Tín hiệu này được truyền đến bộ khóa công suất để điều khiển động cơ Sau khi hoàn thành một chu kỳ sóng hình sin, vi điều khiển sẽ tiếp tục đọc tín hiệu điện áp đầu vào từ tay ga để tính toán tần số và điện áp cho chu kỳ tiếp theo.

40 Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán phương pháp điều khiển hở

Phương pháp này nhằm kiểm tra tín hiệu điều khiển và xác định vùng momen cực đại cùng tốc độ cực đại tại từng tần số tương ứng.

Trong phương pháp điều khiển vòng lặp hở, vi điều khiển không giám sát tốc độ động cơ, do đó việc điều chỉnh tần số hoặc các dải tốc độ hoàn toàn phụ thuộc vào người điều khiển.

3.3.2 Phương pháp điều khiển vòng lặp kín

Đối với động cơ không đồng bộ ba pha, sự trượt giữa rotor và stator đóng vai trò quan trọng Trong phương pháp điều khiển vòng kín, việc chuyển đổi giữa các dải tốc độ (tần số) phụ thuộc vào độ trượt này.

Một cảm biến được đặt gần trục động cơ để đo tốc độ động cơ và xác định tốc độ thực tế của rotor Tín hiệu tốc độ này được gửi về bộ điều khiển để điều chỉnh sự sai lệch giữa tốc độ thực tế và tốc độ lý thuyết Trong mối quan hệ giữa các tốc độ, Nslip là tốc độ trượt của rotor so với stator, Nsynch là tốc độ đồng bộ, và Nr là tốc độ thực tế của rotor, với công thức Nsynch = Nr + Nslip.

Hình 3.10: Sơ đồ hệ thống phương pháp điều khiển vòng kín

Tốc độ của stator được tính toán lý thuyết từ vi điều khiển dựa vào vị trí tay ga do người điều khiển quyết định Bằng cách so sánh tốc độ của rotor và stator, vi điều khiển xác định được độ trượt tương đối, từ đó có thể xác định chính xác thời điểm hoạt động.

42 chuyển đổi tần số để động cơ hoạt động êm ái Lưu đồ thuật toán của phương pháp điều khiển kín được trình bày ở hình 3.10 bên dưới

Hình 3.11: Lưu đồ thuật toán phương pháp điều khiển kín

Phương pháp điều khiển vòng kín khác với điều khiển hở ở việc sử dụng khối hồi tiếp tốc độ Sau mỗi chu kỳ sin, bộ điều khiển tốc độ so sánh tốc độ thực tế của động cơ với tốc độ tham chiếu Nếu tốc độ rotor so với stator thấp hơn 80%, vi điều khiển giữ tần số hoạt động của động cơ không đổi và chỉ tăng điện áp cung cấp để đưa động cơ vào vùng ổn định tương ứng Khi tốc độ rotor đạt từ 80% trở lên so với tốc độ tham chiếu, bộ điều khiển sẽ chuyển đổi sang các tần số khác theo yêu cầu của người điều khiển.

Một trong những điểm khác biệt giữa điều khiển hở và điều khiển kín là quá trình hồi tiếp tốc độ động cơ Để chuyển đổi giữa các tần số, cần đảm bảo độ trượt giữa stator và rotor nằm trong giới hạn cho phép.

Hình 3.12: Mối liên hệ giữa momen và tốc độ ở các dải tần số khác nhau [22]

Vùng hoạt động của động cơ được chia thành ba phần chính: vùng momen cố định, vùng công suất cố định và vùng tốc độ cao Ở một tần số nhất định, khi tốc độ động cơ tăng từ 0 đến đỉnh của đường đặc tính, tốc độ rotor cần đạt ít nhất 80% so với tốc độ stator để đảm bảo momen tối đa Do đó, việc duy trì tốc độ rotor tối thiểu 80% so với tốc độ lý thuyết trong quá trình chuyển đổi tần số là rất quan trọng, giúp động cơ hoạt động mượt mà và tránh hiện tượng khựng lại.

Khi động cơ đứng yên, tốc độ bằng không, cần một momen lớn để vượt qua lực cản và momen quán tính của xe, khiến động cơ hoạt động ở tần số cực đại không đổi Khi xe bắt đầu chuyển động, động cơ chuyển sang vùng công suất không đổi và cuối cùng đạt đến vùng tốc độ cao để tăng tốc, lúc này momen giảm và động cơ chủ yếu hoạt động bằng quán tính.

Động cơ không đồng bộ ba pha có khả năng hoạt động ở nhiều tần số khác nhau, tùy thuộc vào tải và tốc độ yêu cầu Đường màu đỏ trong hình 3.11 thể hiện mối quan hệ giữa mô-men và tốc độ, với mục tiêu của phương pháp điều khiển kín là duy trì hoạt động của động cơ gần với đường đặc tính này.

THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ