nghiên cứu tính toán điều khiển động lực học xe điện

Xe điện thường có hiệu suất năng lượng cao hơn so với các loại xe sử dụng động cơ đốt trong.. Các xe này thường được sử dụng trong các môi trường công nghiệp hoặc trong các

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Hiện nay trong ngành công nghiệp ô tô và giao thông đang phát triển rất mạnh, đặc biệt là xe điện Xu hướng ngày nay đang dần được điện hóa từ động cơ xăng truyền thống Ngoài ra xe điện được coi là phương tiện giao thông sạch thân thiện với môi trường, giúp giảm lượng khí thải và ô nhiễm không khí Xe điện thường có hiệu suất năng lượng cao hơn so với các loại xe sử dụng động cơ đốt trong Hơn nữa ngành công nghiệp ô tô đang tiếp tục phát triển và chuyển đổi sang sử dụng nhiều công nghệ mới bao gồm trí tuệ nhân tạo, tự lái và kết nối Nghiên cứu về xe điện có thể mang lại nhiều lợi ích từ khía cạnh môi trường, kỹ thuật và công nghệ, đồng thời đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô và giao thông Đặc biệt, việc điều khiển động cơ điện trên các xe điện hiện nay đang trở nên ngày càng quan trọng và phức tạp, với sự kết hợp của các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo, tự lái Trong quá khứ, hệ thống truyền động bằng máy điện DC trong ngành công nghiệp ô tô đã được ưu tiên sử dụng, đặc biệt là trong các dòng xe cỡ nhỏ dành cho mục đích công nghiệp hoặc đi lại trong thành phố Điều này bởi vì hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm trong việc điều khiển mô men, tốc độ, đã giúp cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt của các phương tiện di chuyển Các xe này thường được sử dụng trong các môi trường công nghiệp hoặc trong các thành phố, nơi mà khả năng điều khiển linh hoạt và phản ứng nhanh là rất quan trọng

Hơn nữa trong ngành công nghiệp xe hơi, ô tô điện đang dần thay thế Việc nghiên cứu động cơ điện hiện nay đang rất phát triển Đặc biệt động cơ PMS là một động cơ có hiệu suất cao, kích thước và trọng lượng nhỏ Hơn nữa độ bền và mô men xoắn cao Nhiều nghiên cứu ngày nay đang tập trung điều khiển cho PMSM trên xe điện Nên nhóm chúng em đã chọn đề tài “ Nghiên cứu tính toán điều khiển động lực học xe điện” Trong đồ án này chúng em tìm hiểu tính toán động cơ điện và pin cấp cho xe điện từ đó đưa ra mô hình điều khiểu, phương pháp điều khiển này là điều khiển tựa từ thông (FOC) Có áp dụng bộ điều khiển PI và phương pháp điều chế vector không gian để điều khiển dòng điện cấp cho động cơ PMS Mô hình này được xây dựng trên Matlab/Simulink Từ đó đánh giá thông số các thông số động lực học của động cơ, pin, cả xe

Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu tổng quan về xe điện, tính toán thiết kế động cơ điện và hệ thống pin cấp cho xe

Nghiên cứu, mô phỏng điều khiển động cơ PMS ổn định hiệu suất cao dựa vào phương pháp FOC kết hợp bộ điều khiển PI và kỹ thuật điều chế độ rộng xung vector không gian (SVPWM) Sử dụng bộ inventer 6 IGBT để chuyển điện áp DC-AC

Mô phỏng đánh giá động lực học động cơ PMS đưa ra tới bánh xe

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Tìm hiểu lịch sử, phân loại xe điện, cấu tạo trên xe điện

- Các loại động cơ điện sử dụng trên xe

- Phân tích động lực học ô tô, tính toán động cơ điện và hệ thống pin

- Nghiên cứu tìm hiểu tổng quát về động cơ PMS và phương pháp điều khiển tựa từ thông (FOC), bộ điều khiển PI (Proportional-Intergal) trên động cơ PMS

- Phương pháp điều chế xung SVPWM

- Xây dựng mô hình điều khiển và kết quả động lực học bằng Matlab/Simulink

- Phân tích đánh giá kết quả từ đồ thị của hệ thống điều khiển tựa từ thông (FOC)

Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu đọc tài liệu, phân tích tính toán, so sánh

- Dịch thuật những tài liệu nước ngoài

- Phân tích động lực học ô tô

- Tính toán chọn động cơ, pin

- Điều khiển động cơ đồng bộ PMSM

- Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink

- Phân tích và nhận xét các kết quả mô mỏng.

Kết cấu đề tài

Nội dung đề tài được chia thành 6 phần như sau:

- Chương 1 Tổng quan về đề tài

- Chương 2: Tổng quan về xe điện

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính toán động cơ điện và pin

- Chương 4: Tổng quan PMSM và ứng dụng phương pháp điều khiển FOC để điều khiển động cơ

- Chương 5: Mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink

- Chương 6: Kết luận và kiến nghị

TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN

Vấn đề về ô nhiễm môi trường

Hình 2 1 Ô nhiễm môi trường của xe động cơ đốt trong [1] Ô nhiễm môi trường từ xe chạy bằng xăng là một trong những vấn đề nghiêm trọng đối với hành tinh của chúng ta Cụ thể, xe xăng phát thải khí CO2 và các khí nhà kính khác vào bầu khí quyển, góp phần lớn vào biến đổi khí hậu và nóng lên toàn cầu Ngoài ra, xe xăng cũng thải ra khói và hóa chất độc hại như NOx (oxit nitơ), CO (carbon monoxide), và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), làm ô nhiễm không khí và gây hại cho sức khỏe con người, góp phần vào các vấn đề như bệnh hô hấp và tim mạch

Trong bối cảnh đó, xe điện đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hướng tới một tương lai bền vững hơn Xe điện sử dụng động cơ điện thay vì động cơ đốt trong, loại bỏ hoàn toàn việc phát thải khí nhà kính và các chất ô nhiễm khác vào không khí Điều này giúp giảm đáng kể lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, giảm ô nhiễm không khí và cải thiện chất lượng môi trường sống Xe điện cũng được coi là một phần của giải pháp hạ tầng xanh, với khả năng tích hợp vào các hệ thống năng lượng tái tạo như điện mặt trời và gió Khi được sạc bằng năng lượng tái tạo, xe điện có tiềm năng giảm thiểu hoàn toàn dấu chân carbon trong quá trình vận hành, hỗ trợ mục tiêu phát triển môi trường sống và chống lại biến đổi khí hậu Cần có sự phát triển về cơ sở hạ tầng sạc, cải thiện công nghệ pin và giảm chi phí sản xuất, cũng như đảm bảo rằng nguồn điện dùng

5 để sạc xe không phải từ nhiên liệu hóa thạch Hiện nay, giá các xe điện vẫn đang ở mức khá cao, nhưng một số hãng vẫn đang áp dụng các chính sách ưu đãi nhằm kích thích thị trường và thu hút khách hàng

Bên cạnh những mặt tốt đó Việc sản xuất pin cho xe điện có tác động đến môi trường, chủ yếu là do khai thác các nguyên liệu thô, quy trình sản xuất sử dụng nhiều năng lượng và khả năng ô nhiễm do xử lý chất thải.

Lịch sử phát triển xe điện

Lịch sử phát triển của xe điện bắt đầu từ những năm đầu của thế kỷ 19 và đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau:

Hình 2 2 Mô hình xe điện đầu tiên trên thế giới phát minh của Robert Anderson [2]

Năm 1832: Robert Anderson, một nhà phát minh Scotland, tạo ra một phương tiện di chuyển sử dụng pin điện, được coi là ô tô điện đầu tiên [2]

Năm 1888: Thomas Edison phát triển pin sáng bóng và hệ thống sạc để cung cấp nguồn năng lượng cho các phương tiện điện

Năm 1900: Xe điện bắt đầu trở nên phổ biến ở Mỹ và châu Âu, đặc biệt trong các thành phố lớn như New York và Paris

6 Đến những năm 1920, do sự tiện lợi và giá thành rẻ hơn, xe điện chiếm lĩnh khoảng 40% thị trường ô tô tại Mỹ

Tuy nhiên, việc phát triển của động cơ đốt trong và giảm giá của xăng dần dần làm cho xe điện trở nên ít phổ biến hơn Kể từ những năm 1990, quan ngại về biến đổi khí hậu và giá dầu tăng cao đã đẩy ngành công nghiệp ô tô quay lại nghiên cứu và phát triển xe điện

Công nghệ pin lithium-ion đã được phát triển và trở thành nguồn năng lượng chính cho xe điện, giúp tăng hiệu suất và phạm vi của xe Các nhà sản xuất ô tô lớn như Tesla, Nissan, và Chevrolet đã ra mắt các mẫu xe điện tiên tiến như Tesla Roadster, Nissan Leaf và Chevrolet Volt Sự xuất hiện của các chương trình khuyến khích và ưu đãi từ các chính phủ trên thế giới đã giúp thúc đẩy sự phát triển của thị trường xe điện

Hiên tại, xe điện đang trở thành một phần quan trọng trong cuộc cách mạng về năng lượng và môi trường Công nghệ pin và hệ thống sạc đang ngày càng được cải tiến để giảm chi phí và tăng tính tiện dụng của việc sử dụng xe điện Các nhà sản xuất ô tô truyền thống và các nhà sản xuất công nghệ đang cùng nhau cạnh tranh và đầu tư vào nghiên cứu và phát triển xe điện, dự đoán sẽ có sự tăng trưởng mạnh mẽ trong thời gian tới.

Phân loại xe điện

Hiện nay xe điện được chia làm 4 loại chính như sau:

Xe điện HEV (Hybrid Electric Vehicle) là loại xe hỗn hợp sử dụng cả động cơ đốt trong và động cơ điện để vận hành HEV sử dụng pin hoặc điện từ một nguồn năng lượng phụ trợ để tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải so với các xe chỉ sử dụng động cơ đốt trong

Có hai loại chính của xe HEV:

Hình 2 3 Cấu trúc xe HEV (a) Loại Series (b) Loại Parallel [3]

HEV Loại Series: Trong xe HEV loại series, động cơ điện chủ yếu là nguồn cung cấp năng lượng cho bánh xe Động cơ đốt trong không trực tiếp cung cấp năng lượng cho bánh xe mà thường được sử dụng để tạo điện cho pin hoặc trực tiếp động cơ điện

HEV Loại Parallel: Trong xe HEV loại parallel, cả động cơ đốt trong và động cơ điện đều có thể cung cấp năng lượng cho bánh xe cùng một lúc Hệ thống quản lý mạnh mẽ sẽ chuyển đổi giữa hai nguồn năng lượng để tối ưu hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu

2.3.2 PHEV (Plug-in Hydrid Electric Vehicle)

Hình 2 4 Cấu trúc PHEV (a) Loại Series (b) Loại Parallel [3]

Xe PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) là một loại xe hỗn hợp sử dụng cả động cơ đốt trong và động cơ điện nhưng có khả năng sạc lại pin từ nguồn điện ngoài, thường là

9 từ lưới điện Điều này cho phép xe PHEV hoạt động ở chế độ hoàn toàn điện khi pin được sạc đầy, trước khi chuyển sang sử dụng động cơ đốt trong khi pin cạn kiệt

Hình 2 5 Cấu trúc xe BEV [3]

Xe BEV (Battery Electric Vehicle) là loại xe chạy hoàn toàn bằng điện, hoạt động chỉ dựa trên nguồn năng lượng từ pin điện (battery) và không sử dụng nhiên liệu xăng cấp cho động cơ đốt trong Điều này có nghĩa là BEV không có ống xả và không sản sinh bất kỳ

10 khí thải từ việc hoạt động, làm cho chúng một lựa chọn sạch sẽ và thân thiện với môi trường

2.3.4 FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle – xe điện hydro)

Hình 2 6 Cấu trúc xe FCEV [3]

Xe điện hoạt động bằng cách sử dụng pin nhiên liệu (Fuel Cell) để tạo ra điện Năng lượng dự trữ dưới dạng hydro được pin nhiên liệu chuyển hóa thành dạng điện năng Pin nhiên liệu biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu hydro thành năng lượng điện Xe FCEV trở thành một lựa chọn thân thiện với môi trường và giúp giảm bớt ô nhiễm không khí.

Thành phần chính của xe điện

Hình 2 7 Cấu trúc truyền động cơ bản của xe thuần điện (BEV) [4]

Dựa vào hình 2.7 trên ta sẽ phân tích các thành phần chính và cơ bản trên xe điện thường có

2.4.1 Động cơ điện Động cơ điện trên xe là thành phần chính chịu trách nhiệm chuyển động từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học để làm cho xe di chuyển Nó được thay thế với động cơ đốt trong để đảm nhiệm chức năng trên xe ô tô Sau đây là 4 loại động cơ điện được sử dụng Phần này ta nghên cứu sâu về động cơ PMS a Động cơ điện một chiều có chổi than (DC motor)

Hình 2 8 Động cơ điện một chiều có chổi than [5]

• Stator: là bộ phận đứng cố định trên động cơ với một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện Stator cung cấp một từ trường quay điều khiển rotor và nhận cung cấp điện thông qua các thiết bị đầu cuối của nó

• Rotor: là phần lõi chuyển động và quay liên trục bên trong Stator được làm từ cuộn dây và quấn lại tạo thành nam châm điện

• Cổ góp (Commutator): Cổ góp là bộ phận tiếp xúc và dẫn cho các cuộn dây của rotor Số lượng điểm tiếp xúc trên cổ góp tương ứng với số cuộn dây trên rotor

• Chổi than (Brushes): Chổi than có nhiêm vụ kết nối điện và dẫn dòng điện qua rotor

Khi dòng điện một chiều được cung cấp vào cho stator tạo ra một trường từ cố định xung quanh rotor Khi hoạt động rotor quay, chổi than tiếp xúc với cổ góp và truyền dòng điện vào rotor Dòng điện trong rotor tạo ra từ trường Lúc này từ trường này tương tác với trường từ tạo bởi stator, tạo ra một lực tác động theo hướng quay, đẩy rotor tiếp tục quay

Do ma sát và mòn của chổi than vì vậy động cơ chổi than có thể cần bảo trì định kỳ để thay thế chổi than nên ít được sử dụng để làm động cơ kéo trên xe điện b Động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC)

Hình 2 9 Động cơ điện một chiều không chổi than [6]

13 Động cơ một chiều không chổi than, hay còn gọi là động cơ một chiều brushless, là một loại động cơ điện không sử dụng chổi than như các động cơ một chiều có chổi than thông thường Thay vào đó, động cơ một chiều không chổi than sử dụng bộ điều khiển điện tử để điều khiển việc cung cấp dòng điện cho các cuộn dây stator Có 2 loại động cơ BLDC sử dụng phổ biến là 1 pha và 3 pha

• Rotor của động cơ BLDC thường được làm từ một nam châm vĩnh cửu hoặc một loạt nam châm vĩnh cửu được gắn trên một cấu trúc không từ

• Stator: Stator của BLDC hầu như cũng giống như các động cơ cảm ứng khác, gồm các lá thép cùng các cuộn dây quấn xung quanh

• Cảm biến Hall: Để phát hiện vị trí cực từ của nam châm vĩnh cửu

• Bộ chuyển mạch điện tử: sử dụng tín hiệu từ cảm biến Hall để xác định được vị trí của rotor Dựa trên thông tin này, nó xác định các cuộn dây trong stator cần được kích hoạt để tạo ra một trường từ phù hợp với vị trí hiện tại của rotor Bằng cách kích hoạt và tắt các transistor tương ứng, bộ chuyển mạch điện tử điều khiển dòng điện trong cuộn dây theo thứ tự xác định, tạo ra một trường từ quay theo hướng mong muốn và tác động lên rotor để tạo ra lực quay

Hình 2 10 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ BLDC [6]

14 Để điều khiển một động cơ BLDC, thông tin về vị trí của rotor được cung cấp bởi cảm biến Hall, giúp bộ điều khiển xác định thứ tự kích hoạt các cuộn dây trong stator Thông qua các transistor công suất như MOSFET hoặc IGBT, bộ điều khiển kích hoạt các cuộn dây theo thứ tự xác định, tạo ra từ trường quay Và sự tương tác giữa từ trường của stator và từ trường của rotor tạo ra mô men xoắn, đẩy làm quay rotor quay Bằng cách điều chỉnh thứ tự và tần số của xung điều khiển, bộ điều khiển có thể điều chỉnh tốc độ và hướng quay của động cơ BLDC một cách chính xác c Động cơ điện cảm ứng xoay chiều (IM) Động cơ cảm ứng xoay chiều (còn gọi là động cơ không đồng bộ) là loại động cơ điện xoay chiều được sử dụng phổ biến Trong động cơ điện cảm ứng dòng điện trong rotor cần tạo ra mô men xoắn được tạo ra thông qua cảm ứng điện từ từ trường quay của cuộn dây stator Động cơ cảm ứng còn được gọi là động cơ không đồng bộ vì chúng hoạt động ở tốc độ nhỏ hơn tốc độ động bộ của chúng Rotor trong động cơ: Lồng sóc, dây quấn

Có 2 loại động cơ: 1 pha và 3 pha

Hình 2 11 Cấu tạo động cơ không động bộ 3 pha [7]

Cấu tạo của máy điện không động bộ gồm hai bộ phận chính là phần tĩnh (stator) và phần (rotor)

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

- Lõi thép stator hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện có dập rãnh bên trong ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép được ép chặt vào trong vỏ máy

- 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 thuật 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)

Sơ đồ nguyên lý mô tả quá trình điện tử của động cơ không đồng bộ Ba cuộn dây stator của động cơ giống nhau (ký hiệu a,b,c) và được bố trí ở vị trí cách nhau 120 0 , ta cấp điện áp nguồn ba pha đối xứng 120 0 điện

Trong các cuộn dây stator có dòng điện 𝐼 𝑠 tạo nên từ thông quay ᴪ 𝑠 với tốc độ 𝜔 𝑠 Từ thông ᴪ 𝑠 cảm ứng sang phía cuộn dây rotor (ký hiệu A,B,C) sức điện động 𝐸 𝑟 , do rotor nối ngắn mạch nên sinh ra dòng điện 𝐼 𝑟 Tác dụng giữa vector dòng điện rotor 𝐼 𝑟 với từ thông ᴪ 𝑠 sinh ra mô men điện tử, làm quay rotor với tốc độ 𝜔 Khi tốc độ rotor 𝜔 tăng đến bằng tốc độ từ trường stator 𝜔 = 𝜔 𝑠 , cảm ứng từ stator tác dụng sang rotor và ngược lại sẽ không còn 𝐼 𝑟 = 0 nên mô men điện từ động cơ 𝑀 𝑑𝑡 = 0, tốc độ động cơ suy giảm Vì vậy động cơ chỉ hoạt động chế độ động cơ khi 𝜔 < 𝜔 𝑠 Đây giải thích tại sao động cơ quay với tốc độ không đồng bộ (khác biệt so với động cơ xoay chiều động bộ) Động cơ này còn tên gọi khác là động cơ xoay chiều cảm ứng theo bản chất điện tử của động cơ (Induction Motor-IM) Dòng điện rotor 𝐼 𝑟 trong mạch rotor sinh ra từ trường quay ᴪ 𝑟 mô men điện từ động

16 cơ sinh ra do tác động của từ thông rotor ᴪ 𝑟 với dòng stator 𝐼 𝑠 , như vậy lúc này rotor là phần cảm và stator là phần ứng

Hình 2 12 Sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ d Động cơ điện nam châm vĩnh cửu (PMSM) Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor) là động cơ điện đồng bộ có cuộn cảm gồm các nam châm vĩnh cửu Sự khác biệt chính giữa động cơ động bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) và động cơ cảm ứng (IM) nằm ở rotor

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ PIN

Các lực tác dụng lên xe trong trường hợp tổng quát

Hình 3 1 Các lực và mô men tác dụng lên xe khi chuyển động

Dựa trên hình, trình bày lực và mô men tác dụng lên xe chuyển động tăng tốc với các thành phần sau:

G Trọng lượng toàn bộ của xe

𝐹 𝑘 Lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động

𝐹 𝑓1 𝑣𝑎 ̀𝐹 𝑓2 Lực cản lăn của bánh chủ động, bánh bị động

𝐹 𝑤 Lực cản của không khí

𝐹 𝐽 Lực cản quán tính của xe

𝛼 Góc dốc của đường

𝑍 1 𝑣𝑎̀ 𝑍 2 Phản lực tiếp tuyến tác dụng lên bánh xe ở cầu trước, cầu sau

𝑀 𝑓1 𝑣𝑎̀ 𝑀 𝑓2 Mô men cản lăn ở bánh xe chủ động, bị động

Khi ô tô chuyển động trên mặt đường chịu các lực cản sau đây:

3.1.1 Lực kéo tiếp tuyến của ô tô

Phản lực tác dụng của mặt đường tác dụng lên bánh xe ở cầu chủ động là lực kéo tiếp tuyến của bánh xe chủ động Lực này có chiều cùng với chiều chuyển động của ô tô Lực kéo tiếp tuyển 𝐹 𝑘 được xác định bằng công thức sau:

𝑟 𝑘 Trong đó: 𝑟 𝑘 - bán kính đặt lực 𝐹 𝑘

 Muốn ô tô di chuyển được thì lực kéo tiếp tuyển của ô tô phải thắng được các lực cản chuyển động để tiến về phía trước

3.1.2 Lực bám ở bánh xe chủ động

Khả năng bám (giới hạn bám)

𝐹 𝜑 = 𝜑 𝑍 = 𝜑 𝐺 𝜑 Trong đó: Z là phản lực từ mặt đường tác động lên bánh xe chủ động

 hệ số bám giữa bánh xe với mặt đường Phụ thuộc vào loại đường, tình trạng mặt đường, loại lốp và tình trạng lốp và phụ thuộc vào sự trượt giữa bánh xe và mặt đường.Trường hợp đơn giản coi  như hệ số ma sát giữa 2 bề mặt là lốp và mặt đường

Ta có lực kéo lớn nhất từ động cơ : 𝐹 𝑘𝑚𝑎𝑥 = 𝑀 𝑒 𝑀 𝑖 𝑡𝑙1 𝜂 𝑡𝑙1

𝑟 Để đảm bảo bánh xe chủ động không bị trượt quay khi ô tô di chuyển thì lực kéo tiếp tuyến tối đa 𝐹 𝑘𝑚𝑎𝑥 phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám F Điều này có nghĩa phải thỏa mãn điều kiện:

3.1.3 Các lực cản chuyển động của ô tô trên mặt đường a Trọng lượng của xe

Trọng lượng của xe: G=mg,

Trong đó: g là gia tốc trọng trường Ta lấy g= 9,81𝑚/𝑠 2 b Lực cản lăn

Khi xe di chuyển, lực cản lăn 𝐹 𝑓1 tác động lên bánh xe trước và 𝐹 𝑓2 tác động lên bánh xe sau, cùng theo hướng song song với mặt đường và ngược chiều chuyển động của ô tô Lực cản lăn được tạo ra tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường

Lực cản lăn được sinh ra do sự biến dạng của lốp, tạo thành vết bánh xe trên mặt đường và tiếp xúc giữa lốp và mặt đường Do đó, lực cản lăn bao gồm cả lực ma sát ngoại vi và lực ma sát trong lốp Để tính toán đơn giản, ta xem lực cản lăn là lực ma sát ngoại vi tác động lên bánh xe khi ô tô di chuyển và được xác định bằng công thức:

𝐹 𝑓2 = 𝑓 2 𝑍 2 Trong đó: 𝑓 1 , 𝑓 2 - Hệ số cản lăn tương ứng ở bánh xe trước và bánh xe sau

Lực cản lăn tổng 𝐹 𝑓 của ô tô là

Ta giả sử hệ số cản lăn bánh trước và sau bằng nhau, ta có:

Cản lăn tổng của xe khi di chuyển trên đường với độ dốc 𝛼

Bảng 3 1 Hệ số cản lăn của các loại đường

Loại đường Hệ số cản lăn f Đường nhựa tốt 0.017 – 0.02 Đường nhựa bê tông tốt 0.01 – 0.017 Đường có sỏi 0.019 – 0.024

27 Đường cát (khô) 0.1 – 0.3 Đường đất 0.05 – 0.15

Khi ô tô di chuyển trên đường ngang 𝛼 = 0 0 , cản lăn tổng sẽ thành như sau:

Trong đó: 𝑓 = 𝑓 0 + 𝑘𝑉 2 : Hệ số cản lăn, phụ thuộc vào tốc độ chuyển động c Lực cản dốc

Khi ô tô chuyển động lên dốc thì lực thành phần G (trọng lực) chiếu trên phương ngang sẽ cản lại chuyển động của ô tô Lực này được gọi là lực cản lên dốc , ký hiệu là 𝐹 𝑖 và có giá trị như sau :

𝐹 𝑖 = 𝐺 𝑠𝑖𝑛𝛼 Độ dốc của mặt được khí hiệu là i qua góc dốc 𝛼

𝑇 = 𝑡𝑔𝛼 Trong đó: D,T – là kích thước của đường dốc

Trường hợp ô tô chuyển động xuống dốc thì lực 𝐹 𝑖 sẽ cùng chiều chuyển động của ô tô và lúc đó lực 𝐹 𝑖 trở thành lực hỗ trợ cho chuyển động của ô tô

Lực cản tổng cộng của đường bằng tổng của lực cản lăn và lực cản lên dốc

𝐹 ᴪ = 𝐹 𝑓 ± 𝐹 𝑖 = 𝐺 (𝑓𝑐𝑜𝑠𝛼 ± 𝑠𝑖𝑛𝛼) (+) là khi lên dốc và (-) khi xe xuống dốc d Lực cản không khí

Khi xe chuyển động trong môi trường không khí xuất hiện hai thành phần lực cản không khí:

• Lực cản chính diện: Lực cản này được sinh ra do sự xoáy lốc của dòng khí hay do sự tăng áp suất không khí ở phía trước và giảm áp suất không khí ở phía sau ô tô

• Lực cản do ma sát giữa vỏ xe với không khí và giữa các lớp khí ở gần vỏ xe với nhau

Thực nghiệm chứng tỏ rằng lực cản không khí của ô tô có thể xác định bằng biểu thức sau:

Ta coi như khi vận tốc gió rất nhỏ nên ta coi như 𝑣 𝑎𝑖𝑟 = 0

Dấu + xảy ra khi vận tốc xe và vận tốc gió cùng chiều nhau, dấu - xảy ra khi vận tốc xe và vận tốc gió ngược chiều

Trong đó: 𝐶 𝑘𝑑 - hệ số dạng khí động học của ô tô Nó phụ thuộc vào dạng khí động học của xe và chất lượng bề mặt xe

K = 𝐶 𝑘𝑑 𝜌 - Hệ số cản không khí (𝑁𝑠 2 /𝑚 4 )

𝑉 0 - Vận tốc tương đối của ô tô so với không khí (m/s)

S - Diện tích cản gió (𝑚 2 ) Diện tích có thể tính gần đúng theo công thức sau:

- S = 0,8BH, đối với xe du lịch

- S = BH, đối với xe tải

Trong đó: B - chiều rộng cơ sở của ô tô (m)

H - chiều cao lớn nhất của ô tô (m)

Bảng 3 2 Hệ số cản khí của những loại xe khác nhau

Thể loại xe Hệ số cản khí (K)

Xe du lịch Loại đường 0.3 – 0.5

Xe bus 0.5 – 0.7 e Lực cản quán tính

Khi ô tô chuyển động có gia tốc, lực quán tính của các khối chuyển động tịnh tiến và khối lượng chuyển động quay xuất hiện Lực quán tính trở thành lực cản khi xe chuyển động nhanh dần( trạng thái tăng tốc) và trở thành lực đẩy khi chuyển động chậm dần (giảm tốc) Nó gồm 2 thành phần lực sau đây

Gia tốc khối lượng chuyển động tịnh tiến của xe ta kí hiệu là 𝐹 𝑗 ′ và được xác định bằng công thức:

Lực quán tính 𝐹 𝑗 ′′ được tạo ra khi các khối lượng chuyển động quay của ô tô có gia tốc Tuy nhiên, đại lượng này nhỏ nên không có tác động lớn đến kết quả m - khối lượng của xe (kg) j = 𝑑𝑣

3.1.4 Điều kiện để ô tô chuyển động trên đường Điều kiện để xe có thể di chuyển trên đường mà không trượt quay Lực kéo tiếp tuyển tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường phải có giá trị lớn hơn tổng của các lực cản chuyển động Và phải nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn bám của bánh xe với mặt đường Phương trình cân bằng lực kéo được xác định theo công thức sau:

 Khi ta nhân V hai vế ta có phương trình cân bằng công suất

Trong đó dấu (+) khi leo dốc và tăng tốc, còn dấu (-) khi xuống dốc và giảm tốc hoặc phanh

Ta xem xét xe di chuyển trong 2 trường hợp sau đây

➢ Để xe lên dốc với tốc độ bé và xe chạy với vận tốc đều trên đường Do đó lực kéo của xe trong trường hợp này là:

Vận tốc V nhỏ - bỏ qua cản gió

➢ Để xe chạy trên đường bằng phẳng với vận tốc cực đại xem xe chuyển động đều nên cản quán tính bằng 0 lúc này lực kéo trong trường hợp này là:

 Để cân bằng công suất, chúng ta chọn trường hợp xe chạy ở vận tốc cực đại khi chạy lên dốc Do đó xe sẽ sử dụng được hết công suất động cơ

Công suất cản của xe chạy trong trường hợp trên: : 𝑃 𝑐 = 𝐹 𝑘2 𝑉 = (𝐹 𝑓 + 𝐹 𝜔 ) 𝑉

Công thức cực đại cần thiết của động cơ điện

𝜂 𝑒 𝜂 𝑡𝑙 Trong đó với 𝜂 𝑒 là hiệu suất truyền năng lượng của động cơ điện

𝜂 𝑡𝑙 là hiệu suất của hệ thống truyền lực trên xe

Do đó ta chọn động cơ điện được lắp trên xe Ta có công thức công suất tối đa của xe

Tính toán động lực học trên xe điện

Sau khi tham khảo các loại xe thì nhóm đã chọn ra loại xe là Kia Morning 2021 Xe này sử dụng động cơ xăng được sản xuất bởi hãng Kia Đây là dòng xe hatchback hạng A

5 chỗ, chạy hoàn toàn bằng xăng Thông số kỹ thuật nhóm tham khảo được trình bày ở bảng 3.3

Bảng 3 3 Thông số kỹ thuật xe Kia Moring

Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị

Kích thước tổng thể (Dài× Rộng×Cao) 3595 x 1595 x 1485 mm

Chiều dài cơ sở 2400 mm

Khối lượng không tải 940 kg

Tốc độ cực đại 160 Km/h

Số người tối đa 5 Người

Dẫn động Cầu trước

Sau khi tham khảo dòng xe trên thì nhóm đã thay đổi động cơ xăng thành động cơ điện Sử dụng cùng thông số kỹ thuật ngoài xe Ta chọn xe với cầu trước chủ động và xe có tốc độ tối đa là 115 (km/h)

Bảng 3 4 Thông số kỹ thuật của xe sau khi tham khảo

Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị

Kích thước tổng thể (Dài× Rộng×Cao) 3595 x 1595 x 1485 mm

Chiều dài cơ sở 2400 mm

Khối lượng không tải 940 kg

Tốc độ cực đại 115 Km/h

Số người tối đa 5 Người

Dẫn động Cầu trước

Qua bảng thông số này nhóm em sẽ lấy hết kích thước từ bên ngoài xe và chỉ tính toán công suất mô men của động cơ điện dựa trên vận tốc đặt Cái giá trị vận tốc này là do nhóm đã dựa trên những mẫu xe cùng phân khúc nhưng tốc độ tối đa của xe điện sẽ không mạnh hơn động cơ xăng

Ta có các giải pháp thiết kế sau đều dùng động cơ điện

3.2.1 Giải pháp thiết kế 1: Hệ thống dẫn động hộp số cơ khí

Giải pháp này được thiết kế tương tự hệ thống truyền lực xe xăng Động cơ điện sẽ được sử dụng để thay thế động cơ đốt trong truyền thống Hệ thống này bao gồm một hộp số cơ khí 4 hoặc 5 cấp Hộp số này có nhiệm vụ tăng công suất và mô men của xe Điều này thì phù hợp với động cơ đốt trong Tuy nhiên đối với xe điện, motor điện có mô men xoắn cao ở vòng tua thấp và duy trì mức mô men xoắn này trên một dải tốc độ rộng Nhược điểm của phương án này là làm tăng khối lượng và kích thước của xe, tăng chi phí sản xuất nhưng không làm cho xe có hiệu suất tốt hơn

Hình 3 1 Hệ thống dẫn động dùng hộp số cơ khí 4 cấp

Trong đó: 1: Bánh xe trên cầu chủ động, 2: Bán trục cầu xe, 3: Vỏ cầu chủ động, 4: Trục nối, 5 Hộp số 4 cấp, 6: Động cơ điện 8: Bộ vi sai, 9: Bánh răng dẫn động chính

3.2.2 Giải pháp thiết kế 2: Hệ thống dẫn động trực tiếp qua bộ bánh răng trực tiếp đến vi sai

Hình 3 2 Hệ thống dẫn động bằng bánh răng truyền lực chính đến vi sai

Trong đó: 1: Bánh xe trêm cầu chủ động: 2 Bán trục cầu xe, 3 Vỏ cầu chủ đông, 4: Trục nối, 5: Động cơ điện, 6: Bộ vi sai, 7: Bánh răng dẫn động chính

Giải pháp thiết kế 2 này có bộ vi sai được kết nối trực tiếp với bánh xe cầu chủ động Ưu điểm của giải pháp thiết kế này là giảm trọng lượng xe với thiết kế đơn giản và nhỏ nhờ việc loại bỏ hộp số cơ khí Điều này cũng giúp giảm chi phí sản xuất xe Xe điện phù hợp với loại hộp số này do đặc tính motor điện mô men xoắn cao ở dãi vòng tua thấp

3.2.3 Giải pháp thiết kế 3: Hệ thống dẫn động dùng hai loại động cơ điện và hai vỏ truyền

Hình 3 3 Hệ dẫn động dùng hai động cơ điện song song

Trong đó: 1: Bánh xe cầu chủ động, 2: Vỏ truyền lực, 3: Động cơ điện, 4: Bánh răng đẫn động chính, 5: Bán trục cầu xe

Dựa trên hình 3.3 ta có giải pháp thiết kế 2 hệ dẫn động này sử dụng hai động cơ điện được đặt song song, một bánh sẽ được một động cơ điện dẫn động thông qua một bộ truyền động đai răng hoặc một cặp bánh răng đơn giản Giải pháp này có khả năng phân phối mô men xoắn tốt hơn, hiệu suất cao Tích hợp hệ thống kiểm soát tốt hơn, mỗi động cơ có thể được điều khiển độc lập thông qua hệ thống điều khiển điện tử, cung cấp khả năng tùy chỉnh cao hơn cho phản ứng lái và hiệu suất vận hành Nhược điểm là chi phí cao, tăng trọng lượng, khả năng điều khiển phức tạp

3.2.4 Giải pháp thiết kế 4: Hệ thống dẫn động trực tiếp từ hai động cơ

Hình 3 4 Hệ thống dẫn động dùng hai động cơ điện trực tiếp

Trong đó: 1: Bánh xe cầu chủ động, 2: Động cơ điện, 3- Bán trục cầu xe

Dựa trên hình 3.4 giải pháp thiết kế ta đưa ra là dùng hai động cơ điện và đặt nó sao cho trục động cơ nối với trục bánh xe Hiện nay có loại xe có bánh xe gắn liền trên bộ phận stator của động cơ điện được gắn vào bên trong bánh xe Còn loại thứ hai là dùng động cơ thông qua trục rotor nối đến bánh xe Giải pháp thiết kế này do dẫn trực tiếp từ động cơ điện ra bánh xe nên hiệu suất sẽ là cao nhất với mô men và công suất hiệu quả Những dòng xe sử dụng hai động cơ thì sẽ linh hoạt hơn nhưng giá thành thì sẽ đắt, do hệ thống điều khiển của xe phức tạp đòi hỏi chi phí sản xuất cao Nhưng bù lại khả năng vận hành tốt hơn

Chúng em chọn giải pháp thiết kế 2 Hiện nay trên thị trường xe điện thì thường sử dụng hộp số 1 đến 2 cấp Hai cấp thì thường dùng cho những xe lớn Một cấp thì thường

36 cho các xe du lịch Với thiết kế đơn giản không quá phức tạp nhưng vẫn đáp ứng được nhu cầu người sử dụng Và hiệu suất cao.

Tính toán và chọn động cơ điện cho xe thiết kế

3.3.1 Tính toán tải trọng tác dụng lên từng bánh và xác định trọng tâm xe

Xe được thiết kế có trọng lượng m:

𝑚 = 𝑚 0 + 𝑛𝐴 Trong đó: m Khối lượng không tải của xe

𝑚 0 Khối lượng bản thân của xe

𝑛 là Số chỗ ngồi người ngồi trong ô tô

A Trọng lượng của một người

Khối lượng xe thiết kế là:

Xe được thiết kế với trọng lượng:

Tải trọng phân bố lên hai cầu xe: Để xác định tải trọng phân bố trên hai cầu của xe ta cần xét xe Kia Moring là loại xe du lịch Vì vậy ta giả sử tải trọng phân bố ta chọn là cầu trước bằng 45%, và cầu sau 55%

▪ Cầu trước tải trọng được phân bố 𝑍 1

▪ Cầu sau tải trọng được phân bố 𝑍 2

𝑍 2 = 0,55 × 𝐺 = 0,55 × 12164,4 = 6690,42 (𝑁) Với mỗi bánh xe sẽ có tải trọng tác dụng lên ở mỗi cầu 𝑁 1 , 𝑁 2

 Mỗi bánh xe phải chiu một tải trọng lớn nhất là

Xác định tọa độ trọng tâm xe:

▪ Từ trọng tâm xe đến cầu trước ta xác định được khoảng cách a:

▪ Tương tự từ trọng tâm xe đến cầu sau ta xác định được khoảng cách b:

3.3.2 Tính toán chọn động cơ điện

Muốn xe di chuyển được trên đường thi phải chịu các lực tác dụng bao gồm: lực cản gió, lực cản lăn, lực cản dốc, lực cản quán tính Vì vậy muốn xe chuyển động được thì lực kéo của xe cần phải bằng các lực cản

Ta xét trường hợp với xe chạy trên mặt đường với độ dốc 8,3%, thì ta có gốc dốc là 𝛼 4,76 0

Lực cản lăn tác dụng lên xe 𝐹 𝑓 :

𝐹 𝑓 = (𝑍 1 + 𝑍 2 ) 𝑓 = 𝐺 𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑓 = 12164,4 𝑐𝑜𝑠4,76 0 0,018 = 218,2 (𝑁) Chọn đường nhựa tốt có hệ f= 0,018

⇒ 𝐹 𝑓 = 12164,4 𝑐𝑜𝑠4,76 0 0,018 = 218,2 (𝑁) Lực cản khi xe lên dốc: 𝐹 𝑖 = 𝑚𝑔𝑠𝑖𝑛𝛼 = 12164,4 𝑠𝑖𝑛4,76 0 = 1009,43 (𝑁)

Lực cản khí động học của xe:

Ta xét đối với xe du lịch hệ số K trong khoảng 0,3 -0,5 hệ số này còn phụ thuộc vào bề mặt và hình dạng của xe => chọn 𝐾 = 0,35 𝑁𝑠 2 /𝑚 4

Với v air = 0 vì vận tốc của gió rất nhỏ

S là diện tích cản chính diện Ta xét loại xe du lịch, do đó diện tích cản chính diện được chọn bởi : S = 0,8BH, trong đó: B là chiều rộng H là chiều cao xe

Ta có lực kéo động cơ

𝐹 𝑘2 = 𝐹 𝑓 + 𝐹 𝜔 = 894,78 (𝑁) Công suất cản của xe là: 𝑃 𝑐 = 𝐹 𝑘2 𝑉 = (𝐹 𝑓 + 𝐹 𝜔 ) 𝑉 = 894,78.31,91 = 28552,43 (𝑊)

Ta chọn hiệu suất truyền năng lượng của động cơ điện 𝜂 𝑒 = 0,9 và hệ thống truyền lực trên xe có hiệu suất là 𝜂 𝑡𝑙 = 0,89

Công suất tối đa cần thiết của động cơ điện: 𝑃 𝑐𝑡 = 𝑃 𝑐

Xe được lắp động cơ điện ta chọn công suất tối đa yêu cầu xe đạt được:

 Động cơ điện sẽ được chọn trong khoảng giá trị trên giá trị này được coi là công suất cực đại mà động cơ phát ra là 40kW

3.3.3 Chọn động cơ điện thiết kế cho xe Động cơ điện có nhiệm vụ cung cấp năng lượng qua các bộ phận truyền lực và đến bánh xe Tùy thuộc vào mục đích thiết kế cho từng nhu cầu sử dụng khác nhau Vì vậy yêu cầu cho mỗi động cơ điện khác nhau Để xe có thể hoạt động tốt trên đường thì đòi hỏi động cơ điện phải phù hợp với mục tiêu về loại xe cần thiết kế Để chọn được động cơ điện phù hợp thì phải xem xét những yếu tố sau:

- Xác định yêu cầu vận hành của xe: Tốc độ tối đa, thời gian tăng tốc, khả năng leo dốc, tải trọng

- Lựa chọn loại động cơ: Dựa trên các yếu tố như hiệu suất, chi phí, và kích thước

- Tính toán hệ thống pin: Đảm bảo rằng pin cung cấp đủ năng lượng cho động cơ hoạt động hiệu quả Động cơ điện hiện nay trên thị trường rất nhiều loại Nhưng để sử dụng trên xe điện còn đòi hỏi người thiết kế lựa chọn phù hợp với những tiêu chí dựa trên nhu cầu và kinh tế Động cơ điện thì ta xét 2 loại là: động cơ AC và động cơ DC Nếu so sánh 2 động cơ này có thông số giống nhau thì động cơ xoay chiều sẽ có hiệu suất cao hơn và dải tốc rộng Động cơ điện DC thì cơ cấu vận hành đơn giản ít phức tạp hơn động cơ AC Ta xét 2 động cơ là BLDC và PMSM Hai động cơ này có hoạt động gần như nhau phần rotor chứa nam châm vĩnh cửu Và để điều khiển rotor ta cần phải cấp điện cho cuộn dây stator theo nguyên lý của bộ nghịch lưu Dòng điện một chiều thì cấp cho BLDC thì cấp tuần tự cho các cuộn dây stator Còn đối PMSM thì được cấp dòng điện xoay chiều ba pha sử dụng nghịch lưu

3 pha 2 bậc kiểu 6 bước dẫn 180 0 Còn BLDC sử dụng nghịch lưu 3 pha 2 bậc kiểu 6 bước dẫn 120 0 Ban đầu nhóm em tìm kiếm động cơ PMS nhưng do chưa tìm được loại nào phù

40 hợp với công suất và mô men, tốc độ nên nhóm đã chọn động cơ BLDC Nhưng trong quá trình mô phỏng thì nhóm sử dụng động cơ PMS trong Matlab/Simulink

Tên động cơ: REB 30 ELECTRIC MOTOR BLDC

Hình 3 5 Động cơ điện [14]

Bảng 3 5 Thông số động cơ sau khi chọn Điện áp định mức 400 V Số vòng quay lớn nhất 4000 rpm

Mô men cực đại 150 Nm

Công suất cực đại 40 kW Hiệu suất động cơ >92%

Khả năng để xe truyền được năng lượng cơ tới bánh xe thì ta phải phải tính toán tỷ số truyền lực của xe

Thông số lốp của xe Kia Moring : 175/50R15 => B 5mm=6,89inch , 𝐻

Bánh xe có bán kính lăn: 𝑟 𝑏𝑥 = 25,4 × ( 𝑑

Tỉ số truyền được xác định theo công thức sau:

𝑛 𝑒𝑚 , 𝜔 𝑒𝑚 , là số vòng quay, vận tốc góc của động cơ điện

𝑛 𝑏𝑥 , 𝜔 𝑏𝑥 , là số vong quay, vận tốc góc lớn nhất của bánh xe

Ta có vận tốc tối đa của xe được chọn là 115 (km/h)

Tính toán khả năng leo dốc cực đại của xe:

Ta xét độ dốc lớn nhất trong trường hợp xe chuyển động đều với lực kéo lớn nhất: Tốc độ V nhỏ, bỏ qua cản gió, chuyển động ổn định

Phương trình cân bằng lực kéo: 𝐹 𝑘𝑚𝑎𝑥 = 𝐹 𝑓 + 𝐹 𝑖𝑚𝑎𝑥

 𝛼 = 7,09 0 góc dốc của xe lớn nhất có thể qua được i=tanα là độ dốc cực đại

Vậy xe có thể leo được độ dốc lớn nhất là 12,4%, với góc dốc 𝛼 = 7,09 0

Tính toán hệ thống pin trên xe

Bảng 3 6 Bảng thông số kỹ thuật pin 21700 [15]

42 Điện áp định mức 𝑈 𝑝 (V) 3.7V

Dung lương pin 𝐶 𝑝 (mAh) 5000 mAh= 5Ah

Kích thước (mm) Chiều cao: h t,8 mm Đường kính: d= 21,49 mm

Ta có 𝐸 𝑎𝑣 là mức tiêu hao năng lượng trung bình, 𝐷 𝑣 là quãng đường xe đi được trong một lần nạp

Công suất của pin thì phụ thuộc vào điện áp của hệ pin Do đó ta công thức công suất

Từ công thức trên ta thấy dòng điện tỷ lệ nghịch với điện áp Vì vậy ta muốn điện áp nhỏ thì dòng điện phải lớn Mà tiết điện dây tỷ lệ thuận với dòng điện Nên cần phải sử dụng dây lớn hơn, điều này dẫn tới khả năng mất mát năng lượng Do đó điện áp hệ thống pin cần phải cao để khắc phục tình trạng mất mát này

Nhóm dựa vào xe VF3 để có được thông số 𝐸 𝑎𝑣 và 𝐷 𝑣 Từ đó tính toán thiết kế hệ thống pin cho Kia Morning bản điện Mức tiêu hao nhiên liệu trung bình của VF3 đạt 90 Wh/km (theo chuẩn NEDC) và quãng đường tối đa cho một lần sạc là 210 km (theo tiêu

43 chuẩn NEDC) Do điện áp hoạt động của động cơ REB30 khoảng từ 63-800V nên ta chọn điện áp định mức của pin là 𝑈 𝑑𝑚𝑝 = 400 V

Năng lượng của một cell pin là:

𝐸 𝑐𝑒𝑙𝑙 = 𝐶 𝑝 × 𝑈 𝑝 = 5 × 3,7 = 18,5 (𝑊ℎ) Để đi hết quảng đường 𝐷 𝑣 , Năng lượng cần cung cấp của hệ thống pin là:

𝐸 = 𝐸 𝑎𝑣𝑔 × 𝐷 𝑣 = 90 × 210 = 18900 (𝑊ℎ) Số cell pin mắc nối tiếp 𝑁 𝑛𝑡 :

Do số cell phải là số nguyên nên phải làm tròn đến chữ số nguyên lớn nhất [16] 𝑁 𝑛𝑡 ′ = 109 Điện áp của hệ thống pin: 𝑈 𝑑𝑚𝑝 ′ = 𝑁 𝑛𝑡 ′ × 𝑈 𝑝 = 109 × 3,7 = 403,3 (𝑉)

Năng lượng của một chuỗi cell nối tiếp:

𝐸 𝑛𝑡 = 𝑁 𝑛𝑡 × 𝐸 𝑐𝑒𝑙𝑙 = 109 × 18,5 = 2016,5 (𝑊ℎ) Số chuỗi nối tiếp mắc song song 𝑁 𝑠𝑠 :

Do chuỗi pin được mắc song song phải là một số nguyên nên phải làm tròn đến chữ số nguyên lớn nhất, 𝑁 𝑠𝑠 ′ = 10 Vì vậy ta phải tính lại năng lượng của hệ pin theo mắc song song mới [16]

𝐸 𝑛𝑤 = 𝑁 𝑠𝑠 ′ × 𝐸 𝑛𝑡 = 10 × 2016,5 = 20165 (𝑊ℎ) Dung lượng của hệ thống pin 𝐶 𝑏𝑠 :

𝐶 𝑏𝑠 = 𝑁 𝑠𝑠 ′ × 𝐶 𝑝 = 10 × 5 = 50(𝐴ℎ) Số cell pin có trong hệ thống pin 𝑁 𝑐𝑝 :

Dòng xả cực đại của một chuỗi pin

𝐼 𝑠 = 𝐶 𝑟𝑎𝑡𝑒 × 𝐶 𝑝 = 2 × 5 = 10 (𝐴) Dòng xả cực đại của hệ thống pin

𝐼 𝑒𝑥 = 𝐼 𝑠 × 𝑁 𝑠𝑠 ′ = 10 × 10 = 100 (𝐴) Công suất tối đa của hệ thống pin 𝑃 𝑒𝑥 = 𝐼 𝑒𝑥 × 𝑈 𝑑𝑚𝑝 ′ = 100 × 403,3 = 40330 (𝑘𝑊) Khối lượng toàn bộ hệ thống pin 𝑚 𝑡𝑝 :

𝑚 𝑡𝑝 = 𝑚 𝑝 × 𝑁 𝑐𝑝 = 0,07 × 1090 = 76,3 (𝑘𝑔) Thể tích một cell pin 𝑉 𝑐𝑒𝑙𝑙 :

4 × 0,0748 = 2,713 × 10 −5 (𝑚 3 ) Thể tích toàn bộ hệ thống pin 𝑉 𝑡𝑝

𝑉 𝑡𝑝 = 𝑉 𝑐𝑒𝑙𝑙 × 𝑁 𝑐𝑝 = 2,713 × 10 −5 × 1090 = 0,029 (𝑚 3 ) Sau khi tính toán ở trên, thì chúng em đưa ra được bảng so sánh sau:

Bảng 3 7 Bảng so sánh thông số kỹ thuật Kia Moring 2021 và xe Kia EV được thiết kế lại

Thông số kĩ thuật của xe Kia Moring 2021 Xe Kia EV( thiết kế) Kích thước

Chiều dài cơ sở 2400 mm 2400 mm

Khối lượng bản thân xe 940 kg 940 kg Động cơ Loại Động cơ đốt trong Động cơ BLDC

Mô men cực đại 𝑀 𝑒𝑛𝑎𝑥 122 Nm @ 4000 150 Nm

Tua máy tối đa 4000 (vòng/phút)

Tốc độ cực đại 160 km/h 115 km/h

Số người 5 người 5 người Độ dốc cực đại 7,09 0

Dẫn động FWD FWD

Quảng dường đi được 210 km

TỔNG QUAN PMSM VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN FOC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Giới thiệu về động cơ PMS

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor - PMSM) là một thiết bị cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học bằng cách sử dụng các trường điện từ Năng lượng cơ học này tạo ra chuyển động quay và mô men xoắn Động cơ PMSM có nhiều ưu điểm như mật độ công suất và mô-men xoắn cao, tiêu thụ năng lượng thấp và hoạt động tốt So với các loại động cơ khác, nó hiệu quả, nhỏ gọn và vận hành êm ái, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu động cơ có lực nhỏ được điều khiển

Do đó, động cơ PMS đang dần thay thế các động cơ không đồng bộ trong nhiều loại ứng dụng trong công nghiệp và giao thông Động cơ PMSM được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xe điện và máy giặt với yêu cầu về mật độ công suất cao Ngoài ra, chúng cũng được sử dụng trong các thiết bị đòi hỏi độ chính xác cao như máy in điện, công cụ sản xuất và thiết bị y tế như máy bơm y tế, máy thổi và máy nén, cũng như trong nhiều lĩnh vực khác.

Đặc tính cơ và nguyên lý điều khiển PMSM

Về nguyên lý và cấu tạo chi tiết của PMSM đã được trình bày kỹ ở phần động cơ chương 2 Ta nói thêm về đặc tính cơ và suất điện động ngược của động cơ

Hình 4 1 Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Như đã trình bày chương 2 thì động cơ PMS luôn hoạt động ở tốc độ đồng bộ ω s Nghĩa là tốc độ góc của rotor luôn bằng với tốc độ từ trường quay stator Nên trên độ thị ta thấy đặc tính cơ là đường song song với trục hoành với giới hạn mô men xoắn cực đại (từ

0 đến T max ∆𝜔 = 0 cho thấy được không có sự trượt tốc độ giữa rotor và từ trường quay của stator PMSM duy trì tốc độ đồng bộ bất kể thay đổi tải trong giới hạn T max Kết lại động cơ duy trì tốc độ đồng bộ ω s cho đến khi mô men đạt đến T max Nếu mô men vượt quá T max , động cơ có thể không duy trì được tốc độ đồng bộ và có thể dừng lại hoặc hoạt động không ổn định

Khi rotor quay nam châm vĩnh cửu trên rotor tạo ra từ trường thay đổi theo thời gian qua các cuộn dây của stator Theo định luật cảm ứng Faraday, sự thay đổi từ thông này qua cuộn dây sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng được goi là Back EMF Do đó Back EMF là điện áp được sinh ra trong cuộn dây của stator khi rotor quay nó phụ thuộc vào hình dạng loại cuộn dây stator Suất điện động ngược này có dạng hình sin cho thấy được dạng sóng có rotor [back emf] Và tần số thì phụ thuộc tốc độ quay của rotor

Hình 4 2 Tín hiệu Back EMF của PMSM Để động cơ hoạt động ta cần xác định thời điểm cấp điện cho các cuộn dây stator Do đó cần một cảm biến vị trí, thông thường cảm biến Hall dùng để kiểm soát góc quay của rotor Sơ đồ điều khiển tổng quát động cơ PMS được mô tả như hình sau:

Hình 4 3 Sơ đồ cơ bản điều khiển đông cơ PMS

Trong đó bộ đều khiển nhận các lệnh điều khiển, ví dụ lệnh tăng tốc giảm tốc, bộ điều khiển sẽ kiếm soát trạng thái hiện tại của động cơ thông qua cảm biến Cảm biến tốc độ lúc này cung cấp thông tin vị trí của rotor giúp cho bộ điều khiển quyết định cấp điện cho cuộn dây nào trong 3 cuộn dây 3 pha của stator Quan trọng cảm biến dòng điện thông tin cho bộ điều khiển về dòng điện trong cuộn dây để bảo vệ ngắn mạch Và bộ điều khiển xuất tín hiệu đến bộ biến đổi (inverter) Bộ biến đổi này thường là các khóa bán dẫn đóng ngắt

(như IGBT, MOSFET) dòng điện qua 3 cuộn dây Kết quả là nguồn điện một chiều tạo ra từ trường quay 3 pha trong stator.

Phương trình toán học của PMSM

4.3.1 Phương trình toán học trong pha abc

Hình 4 4 Mô hình điện và cơ khí của động cơ PMS

Từ hai định luật của Kirchoff và Newton ta được phương trình Ta xây dựng mô hình toán của động cơ PMS v s = [ v a v b v c ] = R s [ i a i b i c

] + d dt[ ᴪ sa ᴪ sb ᴪ sc ] (4.1) Trong đó: v abc điện áp pha trên mỗi cuộn dây stator

R s : Điện trở cuộn stator i abc dòng điện chạy trên mỗi cuộn dây stator ᴪ sabc liên kết từ thông trên mỗi cuộn dây stator ᴪ sabc từ thông được tình như sau: [17] ᴪ sa ᴪ sb ᴪ sc = L ss [ i a i b i c ] + [ ᴪ ra ᴪ rb ᴪ rc ] (4.2)

Mạch điện tương đương của cuộn dây stator

Dựa vào[17] sẽ thu được ma trận điện cảm từ

L sl là độ cảm tự thân của mỗi pha

L m là giá trị trung bình của điện cảm từ hóa

L ss : Ma trận độ tự cảm của cuộn cảm ᴪ rabc : độ lớn của từ thông do nam châm vĩnh cửu sinh ra

(4.4) θ e : Góc điện rotor ᴪ r : Độ lớn của từ thông tạo được ra bởi nam châm vĩnh cửu

Từ 4.1 viết lại phương trình như sau

3) ] (4.5) Điện áp ngược (Back EMF) do rotor tạo ra: e abc = ω e ᴪ r d dθ e [ cos (θ e ) cos (θ e −2π

4.3.2 Biến đổi abc sang αβ (biến đổi Clarke)

Hệ thống ba pha được biểu diễn dạng tin hiệu sau đây: x a = Acos(ωt + φ) x b = Acos (ωt + φ − 2π

3) Để hệ thống cân bằng ta có: x a +x b + x c = 0 (4.8)

Với "x abc " Là độ lớn của các pha Bằng cách sử dụng biến đổi Clarke có thể chuyển 3 pha này thành 2 pha [17]

Hình 4 5 Tọa độ abc sang αβ

4.3.3 Mô hình động cơ trong khung αβ

Từ phương trình 4.5 ta có thể tìm được phương trình toán học trong tọa độ αβ: d dt[i α i β ] =R s

L s ([v α v β ] − [e α e β ]) (4.10) Với: i αβ : Dòng điện ở tọa độαβ của stator v αβ : Điện áp stator được cung cấp

L s : Độ tự cảm của stator e αβ : sức điện động ngược (Back EMF)

Và e αβ được xác định là:

Với: ᴪ r : Biên độ của từ thông ω e : Tốc độ điện của rotor θ e : Góc điện rotor

4.3.4 Chuyển tọa độ αβ thành dq (Park Transform)

4.3.5 Phương trình hệ trục dq0

Ta sử dụng Park Transform để chuyển đổi phương trình toán học sang tọa độ dq:

Hình 4 6 Mạch tương đương của PMSM

Sức điện động cảm ứng của trục q lên trục d, do dòng i q tạo ra: E q−d = ω e ᴪ q = ω e L q i q Sức điện động cảm ứng của trục d lên trục q, do dòng i q tạo ra: E d−q = ω e ᴪ d ′= ω e L d i d Sức điện động chính của động cơ do từ thông nam châm tạo ra: E m = ω e ᴪ m

 Biểu thức (4.13) được viết ở dạng rút gọn:

Trong đó: v d , v q : Điện áp trục d, q i d , i q : Dòng điện trục d, q

R s : Điện trở của cuộn dây stator ω e : Tốc độ điện quay rotor

4.3.6 Phương trình mô men điện từ

Mô men điện từ trong khung dq:

2(ᴪ d i q − ᴪ q i d ) (4.16) Với: ᴪ d = L d i q + ᴪ m ᴪ q = L q i q Trong đó: ᴪ q ᴪ d từ thông liên kết của stator trên trục d-q

Khi xây dựng hệ thống điều khiển tựa từ thông, ta phải điều khiển sao cho vector dòng stator i s vuông góc với từ thông cực Do đó thành phần i d = 0, phương trình mô men trở thành:

Hình 4 7 Biểu diễn 𝑖𝑠 vuông góc với từ thông cực

Xét phần cơ của máy điện: Theo định luật hai Newton dựa vào mô hình cơ hình 4.4 thu được phương trình sau:

Phương trình (4.20) đã trình bày vị trí góc cơ và vận tốc cơ rotor , Ta cần phải chuyển về vị trí góc điện và vận tốc cơ

Vị trí góc điện được thể hiện bằng công thức sau:

P (4.23) Trong đó: P là số cặp cực

Từ (4.20) thể hiện tốc độ góc điện và thay T e vào (4.17) và ω e của phương trình (4.23), ta được

Trong đó: L q , L d độ tự cảm trên trục d-q, i q i d dòng điện stator trên trục d-q, ᴪ q ᴪ d từ thông liên kết của stator trên trục d-q, ᴪ m từ thông của nam châm vĩnh cửu, từ thông kích từ, T e , T L Mô men điện từ và mô men tải, ω e tần số góc điện, ω r tần số góc cơ học, J lực quán tính, b là hệ số ma sát dính, P là số cặp cực.

Giới thiệu các phương pháp điều khiển trên động cơ điện

Với sự phát triển không ngừng về ứng dụng của động cơ Động cơ PMS thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu do phương pháp điều khiển tối ưu của nó khác nhau Ứng dụng

56 điều khiển rất đa đạng, Động cơ PMS và phương pháp điều khiển hiện nay có nhiều tài liệu liên quan đề cập đến Một số phương pháp điều khiển được thể hiện trong hình 4.8

Hình 4 8 Các phương pháp điều khiển PMSM

4.4.1 Phương pháp điều khiển vô hướng V/f Điều khiển vô hướng trên động cơ PMS (Permanent Magnet Synchronous Motor) là một cách đơn giản để diều khiển và không cần dùng cảm biến phản hồi vẫn có thể điều khiển hiệu quả, kiểm soát về vị trí hoặc tốc độ của rotor Thay vào đó, phương pháp này dựa trên quan sát dòng điện/điện áp đầu vào để điều chỉnh đồng thời điện áp và tần số đầu vào của động cơ, từ đó điều khiển tốc độ

Trong phương pháp điều khiển vô hướng trên động cơ PMS, mối quan hệ giữa điện áp (V) tần số (f) được duy trì để đảm bảo hoạt động ổn định của động cơ Ta có duy trí tỷ lệ ổn định giữa điện áp và tần số, thường được gọi là tỷ lệ điện áp/tần số (V/Hz) Để duy trì tỷ lệ điện áp/tần số ổn định, điện áp tăng theo tần số đầu vào Từ đó hiệu suất và mô men được duy trì ở các tốc độ khác nhau Điều khiển vô hướng thường được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản mà không đòi hỏi độ chính xác cao hoặc hiệu suất tối ưu và phù hợp cho các ứng dụng có yêu cầu tốc độ thấp và ổn định Tuy nhiên, ở tốc độ cao và nhanh thì gặp hạn chế nên không đạt được hiệu suất cao và điều khiển chính xác

Hình 4 9 Sơ đồ khối điều khiển V/f

4.4.2 Phương pháp điều khiển theo vector Điều khiển theo vector là phương pháp điều khiển tiên tiến Phương pháp này đáp ứng nhanh, ổn định và linh hoạt, phản hồi chính xác và hiệu suất tốt hơn so với điều khiển vô hướng Có hai loại phương pháp điều khiển bằng vectơ chính được sử dụng cho động cơ PMS đó là:

2 Direct Torque Control (DTC) a Phương pháp điều khiển dựa theo từ thông rotor

Phương pháp điều khiển dựa trên từ thông rotor (FOC - Field-Oriented Control) được phát triển vào những năm đầu của thập kỷ 1970, nhưng công nghệ này đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống động cơ công nghiệp và ô tô từ những năm 1980 trở đi Nó đã chứng minh rằng động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ có thể được điều khiển giống như động cơ DC kích thích riêng biệt theo hướng của sức điện động stator hoặc vector dòng điện liên quan đến dòng rotor Điều khiển trường định hướng thường tập trung đến các bộ điều khiển duy trì góc điện 90 0 giữa các thành phần rotor và stator Điều khiển trường định hướng (FOC) là kiểm soát các dòng stator được biểu diễn bằng một vector Điều khiển này dựa trên các phép chuyển đổi hệ thống phụ thuộc thời gian ba pha và tốc độ thành hai hệ thống không đổi thời gian phối hợp (hệ tọa độ dq), Tương tự việc điều khiển máy điện DC Các máy điện điều khiển trường định hướng cần

58 được hai hằng số làm tham chiếu đầu vào: thành phần mô-men xoắn (phù hợp trục q), thành phần thông lượng (phù hợp với trục d) Điều khiển trường định hướng chỉ đơn giản là dựa trên phép chiếu, cấu trúc điều khiển xử lý các đại lượng tức thời

Do đó, FOC giải quyết các vấn đề của sơ đồ điều khiển, theo cách sau:

➢ Dễ dàng đạt được tham chiếu liên tục (thành phần mô-men xoắn và thành phần thông lượng stator)

➢ Dễ dàng áp dụng điều khiển mô men trực tiếp bởi vì trong khung tham chiếu (d,q) hiển thị của mô men xoắn bằng cách duy trì biên độ của dòng rotor tại giá trị cố định

Hình 4 10 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển FOC b Phương pháp điều khiển mô men trực tiếp

Truyền động điều khiển mô-men xoắn trực tiếp đã được đề xuất ở Nhật Bản bởi Takahashi, Noguchi và cả ở Đức bởi Depenbrock hơn 20 năm trước Loại bỏ khái niệm chuyển tọa độ và sự tương đồng với điều khiển máy DC Điều khiển bang-bang thay thế điều khiển tách rời [18]

Có thể đạt được điều khiển trực tiếp và tách rời từ thông và mô men xoắn bằng cách chọn trạng thái chuyển mạch biến tần thích hợp từ bảng tra cứu được thiết kế trước (LUT) được gọi là ""switching selection table" mang lại phản ứng mô men xoắn nhanh.[19] DTC

59 điều khiển trực tiếp mô-men và từ thông của động cơ bằng cách chọn các vector điện áp phù hợp Điều khiển được thực hiện theo các bước sau: Đầu tiên, tín hiệu điện áp và dòng điện từ cuộn dây stator được đo Sau đó, các mô hình toán học được sử dụng để ước tính các giá trị của mô-men và từ thông của động cơ trong thời gian thực Giá trị mục tiêu mong muốn và giá trị ước lượng được so sánh Dựa trên kết quả so sánh, hệ thống sẽ chọn các vector điện áp tốt nhất từ bảng tra cứu để điều chỉnh từ thông và mô-men đến các giá trị mà nó muốn Quá trình này cho phép DTC phản ứng nhanh với các thay đổi trong điều kiện vận hành và tải Điều này mang lại độ chính xác cao và giúp đơn giản hóa cấu trúc điều khiển Tuy nhiên, do sự thay đổi nhanh chóng của các vector điện áp, DTC cũng có thể tạo ra sóng hài và nhiễu động Nó cũng yêu cầu cảm biến đo lường chính xác và nhiều tính toán DTC được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền động công nghiệp và xe điện, nơi cần kiểm soát tốc độ và mô-men chính xác

Hình 4 11 Cấu trúc điều khiển DTC

Cấu trúc phương pháp điều khiển động cơ PMS

Sơ đồ điều khiển PMSM dựa trên hướng từ thông được mô tả cụ thể như trong Hình 4.10 Dựa vào sơ đồ đó ta thấy nguyên lý phương pháp là biến đổi dòng điện 𝑖 𝑎𝑏𝑐 thành

𝑖 𝛼𝛽 Sau đó biến đổi tiếp về 𝑖 𝑑𝑞 rồi so sánh với 𝑖 𝑑𝑞 mong muốn từ đó tạo ra sai lệch Sai lệch 𝑒 𝑑𝑞 sẽ qua khối PI để tạo ra tín hiệu 𝑉 𝑑𝑞 mong muốn đưa vào khối SVPWM

Ta giải thích chi tiết các thành phần cấu trúc trên Hình 4.10

1 Tham chiếu tốc độ (𝑵 𝒓𝒆𝒇 ): Đây là giá trị tốc độ mục tiêu mà hệ thống muốn đạt được

2 Vòng điều khiển tốc độ:

• Sai lệch giữa tốc độ tham chiếu N ref và tốc độ thực tế n được phản hồi từ phía động cơ về qua hai cách Sử dụng cảm biến vị trí rotor hay sử dụng không cảm biến bằng việc tính toán góc theo theo thời gian điều khiển

• Sai số này được đưa vào bộ điều khiển PI để tạo ra dòng điện tham chiếu trục q I sqref

3 Vòng điều khiển dòng điện:

• Dòng điện tham chiếu trục q I sqref và dòng điện trục d I sdref (thường đặt là 0 cho điều khiển FOC thông thường) được so sánh với các giá trị thực tế I sq và

I sd được phản hổi về thông qua phép tính toán Park, Clark

• Sai số giữa các giá trị này được đưa vào các bộ điều khiển PI để tạo ra các điện áp tham chiếu trục q và trục d, V sqref và V sdref

4 Biến đổi tọa độ dq sang αβ (Park ngược)

• Các điện áp tham chiếu V sqref và V sdref được chuyển đổi từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ αβ bằng cách sử dụng các thông tin về góc rotor θ từ cảm biến vị trí

5 Biến đổi tọa độ αβ sang abc (Clark ngược):

• Các giá trị điện áp trong hệ tọa độ αβ được chuyển đổi sang hệ tọa độ abc để phù hợp với các pha của động cơ

6 Điều chế độ rộng xung vector không gian (SVPWM):

• Các giá trị điện áp 𝑉 αβ trong hệ tọa độ abc được đưa vào bộ điều chế SVPWM để tạo ra các tín hiệu PWM điều khiển các khóa bán dẫn như IGBT, MOSFET trong bộ biến tần IPM

• Các tín hiệu PWM từ bộ SVPWM điều khiển các van bán dẫn trong bộ biến tần IPM, tạo ra các tín hiệu điện áp ba pha cung cấp cho động cơ PMS

8 Cảm biến dòng điện:

• Dòng điện pha thực tế I abc của động cơ được đo và chuyển đổi sang hệ tọa độ αβ, sau đó được chuyển đổi sang hệ tọa độ dq để so sánh với các giá trị dòng điện tham chiếu

• Góc rotor 𝜃 được cảm biến và sử dụng để tính toán tốc độ thực tế n, cũng như trả về để thực hiện phép biến đổi Park tọa độ từ dq sang αβ và ngược lại

Trong điều khiển hướng trường (FOC), các dòng điện dọc trục I d , I q được điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu mô-men trong động cơ DC không chổi than (BLDC) Để kiểm soát thành phần từ thông và mô-men, dòng kích từ và dòng phần ứng được điều chỉnh riêng biệt Phương pháp FOC được sử dụng cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) Trong FOC, các dòng điện từ stator ba pha được biến thành các thành phần "dq", trong đó thành phần d xác định từ thông và thành phần q xác định mô men Dòng điện trường và dòng điện phần ứng tạo từ thông trường và từ thông phần ứng Khi mô men được kiểm soát, từ thông trường không bị ảnh hưởng Để được mô men tối ta, ta cần đảm bảo dòng điện I d bằng 0 , lúc này thành phần ảnh hưởng tới mô men là I q , thành phần tạo từ thông duy trì một góc 90 0 là I d Thành phần dòng điện I d liên quan đến từ thông dọc trục rotor Trong động cơ PMS, mục tiêu thường là giữ I d bằng 0 để tố ưu hóa hiệu suất

Hình 4 12 Biến đổi Clark

Từ không gian hai chiều của hệ trục tọa dộ abc chuyển thành hệ trục tọa độ αβ được tham chiếu đến stator Đây gọi là phép biến đổi Clark Phương trình (4.25) thể hiện phép toán biến đổi

Trong hệ tọa độ ba pha stator, chuyển đổi từ αβ sang hệ tọa độ không gian hai chiều abc Phép biển đổi này gọi là ngược của phép biến đổi Clark Còn được gọi là Clark ngược

Công thức chuyển đổi toán học (4.26) và hình (4.13) thể hiện 𝑣 𝑎𝑏𝑐 trên hệ trục sau khi chuyển đổi sang 𝑣 𝛼𝛽

Hình 4 13 Chuyển đổi Clark ngược

Khối này được mô tả ở hình 4.14 ta có Dòng điện trong stator có dạng hệ tọa độ  chuyển đổi thành hệ tọa độ dq theo trục từ thông của nam châm vĩnh cửu Hình 4.14 thể hiện được phép toán (4.27)

Hình 4 14 Biến đổi Park

Phép toán biến đổi Park ngược (4.28), hệ trục tọa độ dq theo trục từ thông của nam châm vĩnh cửu sang hệ tọa độ  Trong điều khiển FOC khi biến đổi này nhận tín hiệu từ bộ PI dòng điện Tín hiệu này là tín hiệu sai số của giá trị mong muốn và giá trị phản hồi của stator của động cơ PMS Hình 4.15 mô tả chỉ tiết về phép biến đổi này

Hình 4 15 Chuyển đổi Park ngược

Bộ điều khiển PI

4.6.1 Giới thiệu bộ điều khiển PI

Do cấu trúc đơn giản và dễ thiết kế, bộ điều khiển PI được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Mục tiêu của bộ điều khiển PI, một hệ thống phản hồi vòng lặp điều khiển tích phân tỷ lệ, là đạt được đầu ra thay đổi có thành phần cơ bản cực đại cũng như sóng hài tối thiểu Bằng cách tính toán và thực hiện hành động khắc phục để điều chỉnh quy trình Bộ điều khiển PI điều chỉnh sự khác biệt giữa giá trị đo được và giá trị mong muốn Tốc độ đầu ra của bộ điều khiển sẽ bị giới hạn bởi dòng điện cuộn dây tối đa Mục đích của việc giới hạn dòng điện này là ngăn chặn việc vượt quá nó Cấu hình cơ bản của một bộ điều khiển PI dựa trên nguyên lý này được hiển thị trong Hình 4.16

Hình 4 16 Sơ đồ bộ điều khiển PI

4.6.2 Các chỉ tiêu đánh giá của bộ điều khiển PI

Các giải thuật điều khiển đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Để đánh giá chính xác các yếu tố này, cần phải xác định các tiêu chí cụ thể và áp dụng chúng vào việc

66 đánh giá giải thuật điều khiển Trong nghiên cứu về điều khiển PI, đã có một số tiêu chí được đề xuất để đánh giá hiệu quả của giải thuật, như được trình bày như sau [20]

- Sai số : là sai lệch giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu phản hồi. e(t) = r(t)- y(t) (4.29)

- Sai số xác lập: là sai số của hệ thống khi t → ∞

Hình 4 17 Sai số xác lập của PI controller

❖ Sự đáp ứng quá độ

Hình 4 18 Trường hợp vượt quá và độ vượt quá (POT) trong bộ điều khiển

- Trường hợp vượt quá: là trường hợp đáp ứng của hệ thống vượt quá giá trị xác lập của nó

- Độ vượt quá (POT): là giá trị biểu thị độ vượt quá của hệ thống.

Hình 4 19 So sánh thời gian vượt quá và thời gian thực

- Thời gian quá độ (𝑡 𝑞𝑑 ): là thời gian cần thiết để sai lệch giữa đáp ứng của hệ thống và giá trị xác lập của nó không vượt qua ɛ (2%/5%)

- Thời gian tăng (𝑡 𝑟 ): là thời gian cần thiết để đáp ứng của hệ thống tăng từ 10% đến 90% giá trị xác lập của nó

4.6.3 Biểu thức trong miền thời gian t

Công thức điều khiển PI được định nghĩa theo [21] :

Trong đó: u(t) là tín hiệu điều khiển tại thời điểm t e(t) là sai số tại thời điểm t

𝐾 𝑝 , 𝐾 𝑖 là độ lợi tỉ lệ (Proportional Gain), độ lợi tích phân (Integral Gain) t là thời gian(s)

❖ Tỉ lệ và tích phân là tổng hai thành phần của tín hiệu điều khiển

➢ P có thành phần tỷ lệ như sau:

𝑢(𝑡) = 𝐾 𝑝 𝑒(𝑡) (4.33) Đó là thành phần tỷ lệ tương ứng với sai số hiện tại Nó đại diện cho mức độ phản ứng của hệ thống với sai số hiện tại Thành phần này có tác động trực tiếp lên đầu ra của bộ điều khiển tự động theo tỷ lệ thuận với sai số Ưu điểm chính của thành phần P là tính đơn giản và khả năng phản ứng nhanh Khi hệ số tỷ lệ 𝐾 𝑝 càng lớn, độ phản hồi của hệ thống càng nhanh, giúp hệ thống đạt được mục tiêu điều khiển nhanh chóng Trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ, khi cần phản ứng nhanh để đưa hệ thống về trạng thái ổn định, thành phần P thường đóng một vai trò quan trọng Thành phần P có nhược điểm là tín hiệu điều khiển và dao động sẽ mạnh hơn khi hệ số 𝐾 𝑝 quá lớn

Điều này có thể dẫn đến sự không ổn định và dao động của hệ thống

➢ Thành phần tích phân (I)

(4.34) Ưu điểm của thành phần tích phân là khả năng loại bỏ sai lệch trong tín hiệu điều khiển Khi có sai lệch dương (giá trị đặt lớn hơn giá trị thực tế), tín hiệu điều khiển sẽ tăng lên và ngược lại, khi có sai lệch âm Điều này giúp hệ thống điều khiển đạt được trạng thái ổn định mà không cần phải đợi đến khi sai lệch đủ lớn Điều này làm giảm sai số tĩnh và tăng khả năng đáp ứng của hệ thống Tuy nhiên, nhược điểm của thành phần tích phân là sai lệch phải được loại bỏ trong một khoảng thời gian dài Do đó, bộ điều khiển có tác động

69 chậm hơn so với các thành phần tỷ lệ Điều này có thể gây ra hiện tượng dao động hoặc mất ổn định trong hệ thống nếu không được điều chỉnh đúng cách

4.6.4 Bộ điều khiển dòng điện

Ta có đạo hàm của 𝑖 𝑑 theo thời gian chính là tín hiệu lỗi giữa 𝑖 𝑑 mong muốn và 𝑖 𝑑 thực tế trên thời gian mẫu:

𝐿 𝑑 (𝐿 𝑑 𝑖 𝑑 + ᴪ 𝑚 ) Chuyển 𝑣 𝑑 , 𝑣 𝑞 sang vế trái ta được

Thay vào phương trình (4.37) (4.38)

Phương trình (4.39) (4.40) cho ta thấy mối quan hệ giữa tín hiệu lỗi của dòng điện và điện áp dq Do đó, phương trình trên là mô hình toán học của bộ PI, có thể xử lý tín hiệu lỗi của dòng điện để sinh ra điện áp dq

Hình 4 20 Mô hình toán của bộ PI

Phương pháp điều chế vector không gian SVM

4.7.1 Giới thiệu về phương pháp điều chế vector

Một phương pháp điều khiển phổ biến cho động cơ DC (một chiều) không chổi than là kỹ thuật điều chế vector không gian (SVM- Space Vecor Modulation) SVM có phạm vi điều chế rộng, sóng cơ bản thấp hơn và được sử dụng điện áp nguồn DC hiệu quả, giảm mất mát chuyển mạch và tăng hiệu suất Phương pháp này kết hợp tám mô hình chuyển

71 mạch và sử dụng khoảng 3 điện áp tham chiếu SVM biểu diễn các vector chuyển mạch trong mặt phẳng 𝛼𝛽 và xác định thành phần 𝛼𝛽 bằng cách sử dụng biến đổi Clarke và Park Vector tham chiếu quay cung cấp điện áp tham chiếu Phần này nhằm mục đích trình bày nguyên lý kiểm soát SVM và dòng điện cho động cơ

4.7.2 Không gian vector trong một nguồn điện ba pha

Công thức sau đây mô tả nguồn điện ba pha: v a = V m sin (ωt) v b = V m sin (ωt − 2π

Hinh 4.21 sau đây là đồ thị một chu kì điện áp

Hình 4 21 Nguồn điện xoay chiều 3 pha

Một vector trên hai trục cố định cách nhau 120 độ có thể được sử dụng để biểu điện áp một pha của một nguồn điện

Một điểm trên đỉnh của một vector có gốc biểu thị mỗi pha của nguồn điện Tổng vector điện áp ba pha là tổng của ba vector điện áp tương ứng của ba pha Một vector tổng được tạo ra khi các vector này được kết hợp với nhau

Hình 4 22 Vector thể hiện điện áp ba pha

Các giá trị góc tăng từ 0 đến 360 độ mô tả vector điện áp tổng của nguồn 3 pha Khi góc tăng dần, chúng ta thấy vector điện áp quay ngược chiều kim đồng hồ

Hình 4 23 Không gian vector của nguồn điện 3 pha

Do đó muốn biểu diễn nguồn điện áp ba pha ta cần dựa vào một vector tổng thành phần Nếu ngược lại ta muốn tìm điện áp trên từng pha ta có thể suy ra từ vector tổng đó sao cho 3 vector điện áp lệch nhau 120 0

4.7.3 Điện áp ra của bộ nghịch lưu ba pha a Bộ nghịch lưu sáu bước

Sáu khóa bán dẫn như IGBT hoặc MOSFET được bố trí theo hình dưới đây có thể được sử dụng để nghịch lưu dòng điện một chiều thành xoay chiều ba pha Dưới dây là hình 4.24 mô tả như sau:

Hình 4 24 Bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha

Các pha điện áp được cung cấp điện áp lần lượt thông qua hai công tắc điều khiển trên một cột, một công tắc ở mức cao và một công tắc ở mức thấp Khi một công tắc đóng, cái còn lại sẽ ngắt Nguyên tắc là trong một thời điểm thì chỉ có một trong hai công tắc được dẫn (trạng thái đóng) Khi công tắc ở mức cao mở, công tắc ở mức thấp sẽ được ngắt (không dẫn) và ngược lại Điều này đảm bảo rằng dòng điện không tạo ra ngắn mạch qua hai cực của nguồn Để tạo ra một từ trường quay trên các cuộn dây ba pha một cách tuần tự tương tự như một nguồn điện xoay chiều ba pha Các công tắc khóa bán dẫn được bật và tắt theo thứ tự trong bảng điều khiển Trong bảng sau, giá trị 1 cho thấy công tắt đang được bật và giá trị 0 cho thấy công tắc đang được tắt (đang ngắt)

Bảng 4 1 Các khóa bán dẫn trong bộ nghịch lưu sáu bước

Khóa bán dẫn Sector 1 Sector 2 Sector 3 Sector 4 Sector 5 Sector 6

S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 5 , S 6 là trạng thái các khóa bán dẫn

Transitor chuyển mạch trên và dưới lần lượt là S 1 & S 4 cho pha A,

S 3 & S 6 cho pha B và S 5 & S 2 cho pha C

Ta xét trạng thái của ba khóa S 1 , S 3 , S 5 Nếu S =1 thì khóa dẫn về phía cao, nếu S=0 thì khóa dẫn về phía thấp (các khóa trên đóng là 1 còn các khóa dưới đóng là 0) Bảng trạng thái các khóa có thể được viết lại cho gọn như sau:

Bảng 4 2 Trạng thái đóng mở khóa bán dẫn ở các pha

Khóa bán dẫn Sector 1 Sector 2 Sector 3 Sector 4 Sector 5 Sector 6

Ta có điện áp 𝑉 𝑑𝑐 được đặt vào 2 đầu dây của bộ nghịch lưu Khi khóa trên cao đóng

S = 1 thì đầu dương nguồn được dẫn vào Khi khóa dưới thấp S = 0 thì âm nguồn được dẫn vào khóa dưới

Hình 4 25 Mạch nghịch lưu 3 pha với tải mắc sao (Y)

Công thức tính điện áp dây là:

U CA = U An − U Cn Công thức tính điện áp mỗi pha trên động cơ 3 pha,

Hình 4 26 Điện áp 𝑈 𝑎𝑏𝑐 trên vector 𝑉 1 b Tám vectơ điện áp của bộ nghịch lưu ( từ 𝑽 𝟎 đế𝒏 𝑽 𝟕 )

Hình 4 27 8 vectơ điện áp biến tần (𝑉 0 đế𝑛 𝑉 7 ) [19]

Tám trạng thái vector điện áp của bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc kiểu 6 bước dẫn 180 0 c Tính toán tám vector điện áp, các điện áp pha và điện áp dây đầu ra

Hình 4 28 Biểu đồ thể hiện trạng thái bật tắt của khóa bán dẫn theo thời gian t

Theo giả thuyết, điện áp trung gian một chiều 𝑈 𝑑 (điên áp dây) đã là phẳng lý tưởng

Ta quy ước trạng thái logic 1 tương ứng van nhánh trên nối cực (+), trạng thái logic 0 tương ứng van nhánh dưới nối với cực (-) nguồn 1 chiều

Xét trong khoảng θ = 60 0 ÷ 120 0 các van 1,6,2 dẫn nằm trong khoảng II

⇒ Z a nt(Z b //Z c ) mà Z a = Z b = Z c = Z , do 3 pha đối xứng dựa vào sơ đồ mạch ta có:

⇒ Vector chuyển mạch V 1 ứng với tổ hợp van 1,6,2 dẫn

Ta xét lần lượt trên từng pha a, b, c

Khóa S a = 1 tương ứng với khóa 1 dẫn , S a = 0 tương ứng với khóa 4 dẫn

Khóa S b = 1 tương ứng với khóa 3 dẫn , S b = 0 tương ứng với khóa 6 dẫn

Khóa S c = 1 tương ứng với khóa 5 dẫn S c = 0 tương ứng với khóa 2 dẫn

Ta có vector V 1 thương ứng với khóa bán dẫn 1,6,2 dẫn → Khí đó S a = 1; S a = 0; S c 0⇒ ba khóa này sẽ kí hiệu lần lượt biểu diễn theo vector điện áp V 1 = (1 0 0) Trong trường

77 hợp này, vector V 1 liên kết với trạng thái pha a là cực dương, pha b với cực âm và pha c với cực âm của nguồn một chiều

Xét trong θ khoảng góc 120 0 ÷ 180 0 các kháo bán dẫn 1,3,2 dẫn nằm trong khoảng III

⇒ Vector chuyển mạch V 2 tương ứng với tổ hợp khóa bán dẫn 1,3,2

⇒ V 2 = (1 1 0) là kí hiệu vector điện áp

Xét trong θ khoảng góc 180 0 ÷ 240 0 các khóa bán dẫn 4,3,2 dẫn nằm trong khoảng IV

⇒ Vector chuyển mạch V 3 tương ứng với tổ hợp khóa bán dẫn 4,3,2

⇒ V 3 = (0 1 0) là kí hiệu vector điện áp

Xét góc θ trong khoảng 240 0 ÷ 300 0 các khóa bán dẫn 3,5,4 dẫn nằm trong khoảng V

⇒ Vector chuyển mạch V 4 tương ứng với tổ hợp khóa bán dẫn 3,5,4

⇒ V 4 = (0 1 1) là kí hiệu vector điện áp

Xét góc θ trong khoảng 300 0 ÷ 360 0 các khóa bán dẫn 4,6,5 dẫn nằm trong khoảng VI

⇒ Vector chuyển mạch V 5 tương ứng với tổ hợp khóa bán dẫn 4,6,5

⇒ V 5 = (0 0 1) là kí hiệu vector điện áp

Xét góc θ trong khoảng 0 0 ÷ 60 0 các khóa bán dẫn 1,6,2 dẫn nằm trong khoảng I

⇒ Vector chuyển mạch V 6 tương ứng với tổ hợp khóa bán dẫn 1,6,2

⇒ V 6 = (1 0 1) là kí hiệu vector điện áp

Từ các công thức được tính ở trên, điện áp cực và điện áp pha ứng với trạng thái các khóa bán dẫn được tổng hợp trong bảng sau

Bảng 4 3 Cấu hình chuyển mạch với các điện áp đầu ra của biến tần ba pha Điện áp pha Điện áp dây

Với S 1 , S 3 , S 5 là ba khóa bán dẫn phía trên và S 2 , S 4 , S 6 là ba khóa bán dẫn phía dưới của bộ nghịch lưu Ta xem bảng 4.3 bao gồm nguyên lý chuyển mạch và điện áp đầu đầu ra dẫn tới cuộn dây ba pha của bộ nghịch lưu Sáu khóa bán dẫn này của bô nghịch lưu có thể được bật hoặc tắt theo thứ tự để tạo ra điện áp đầu ra cần thiết để cho động cơ PMS đạt được tốc độ cần thiết

4.7.4 Nguyên lý của phương pháp điều chế vector không gian

 Xem điện áp hình sin như một vector có biên độ không đổi và quay với tốc độ (tần số) không đổi

 Kỹ thuật PWM thực hiện xấp xỉ điện áp đặt 𝑉 𝑟𝑒𝑓 bằng một kết hợp của tám vector chuyển mạch (từ 𝑉 0 đế𝑛 𝑉 7 )

 Chuyển đổi tọa độ (từ hệ tọa độ tự nhiên abc sang hệ tọa độ cố định stato αβ): Một vector điện áp ba pha được chuyển đổi thành một vector trong hệ tọa độ cố định αβ mà các thành phần của nó thể hiện các thành phần của vectơ không gian là tổng của điện áp ba pha

 Các vector 𝑉 1 → 𝑉 6 chia mặt phẳng thành sáu phần - sector (mỗi sector: 60 độ)

 𝑉 𝑟𝑒𝑓 được tạo ra bằng cách kết hợp hai vector tích cực và hai vector zero

4.7.5 Các vectơ chuyển mạch cơ sở và các góc Sector

⇒ Các trục của hình lục giác

⇒ Điện áp một chiều đầu vào “DC ” được đưa tới tải

⇒ Không có điện áp được đưa tới tải

Hình sau đây mô tả sáu vector có có sáu giá trị điện áp của bộ nghịch lưu sáu bước Mỗi một vector được tạo thành từ tổng ba vector điện áp ba pha có giá trị hiển thị trong bảng 4.3 Hình lục giác này được tạo ra từ các đỉnh của vector Nó được chia làm sáu vị trí bên trong hình lục giác vị trí này goi là sector, được đánh số theo thú tự như hình vẽ

Hình 4 29 Vector điện áp của bộ nghịch lưu sáu bước

4.7.6 So sánh giữa phương pháp Sine PWM và SVPWM (SVM)

Hình 4 30 So sánh vùng tuyến tính khi điều khiển điện áp giữa hai phương pháp Sine

 Phương pháp điều chế SVM tạo ít sóng hài trong điện áp và dòng điện ra hơn so với phương pháp điều chế “sine PWM”

 SVM tận dụng hiệu quả hơn điện áp một chiều đầu vào so với “sine PWM”:

⇒ Sine PWM: Vùng điều chế được nằm phía trong đường tròn có bán kính bằng 1

⇒ Space Vector PWM: Vùng điều chế được nằm phía trong đường tròn có bán kính bằng

 Tận dụng điện áp: SVM = 2

√3 ≈ 1,15 lần so với “Sine PWM”

4.7.7 Các bước thực hiện phương pháp SVM

Muốn dẫn động động cơ ba pha, thì cần phải điều chế sáu vector điện áp của bộ nghịch lưu sáu bước tương tự như vector điện áp từ nguồn xoay chiều ba pha

Bước 1 Tính toán trước V α , V β , V ref và góc (𝜃)

Bước 2.Sau đó, tính toán thời gian T 1 , T 2 , T 0

Bước 3 Cuối cùng, xác định được thời gian chuyển mạch của mỗi khóa bán dẫn

Ta thực hiện các bước như sau:

➢ Bước 1 : Xác định V α , V β , V ref và góc (θ):

Chuyển đổi tọa độ : abc → αβ

Hình 4 31 Vector không gian và các thành phần của nó ở (α,β)

V α = V an − V bn cos60 − V bn cos60

V β = V an − V bn cos30 − V bn cos30

V α ) = ω s t = 2πf s t Trong đó f s là tần số đóng cắt PWM

➢ Bước 2 : Xác định thời gian T 1 , T 2 , T 0

Hình 4 32 Vectơ đặt bằng tổng của hai vectơ liền kề trong sector 1

 Thời gian chuyển mạch ở Sector 1

Ta chiếu lần lượt các vector V ref , V 1 , V 2 trên các trục 𝛼, 𝛽

Hình 4.33 thể hiện được trạng thái chuyển mạch cho các vector Trong đó T 1 , T 2 và T 0 thể hiện được độ rộng xung cho các vecto V 1 , V 2 , V 0 Các vector này có khoảng thời gian lấy mẫu T 0 Trong từng chu kì chuyển mạch T z , đầu và cuối chu kì này đều kết thúc bởi các vector V 0 , V 7

 Thời gian chuyển mạch ở mọi Sector

➢ Bước 3: Xác định thời gian chuyển mạch của mỗi transistor (S 1 đến S 6 )

MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK

Giới thiệu về Matlab/Simulink

Matlab là một phần mềm mô phỏng do công ty MathWorks của Mỹ phát triển Công cụ này cho phép tạo và xử lý ma trận, vẽ đồ thị và biểu đồ từ dữ liệu, tính toán và lập trình bằng các ngôn ngữ phổ biến Matlab có thể xử lý dữ liệu, xây dựng thuật toán, hình thành mô hình và mô phỏng Nó được khởi tạo với nhiều câu lệnh và hàm số,giúp người dùng thao tác những chức năng đó một cách thuận tiện

Hình 5 1 Phần mềm Matlab

Matlab có các công dụng sau:

▪ Xử lý được các bài toán về toán sơ cấp, cao cấp như phát họa các đồ thị hàm số dạng 2D và 3D, tính toán các bài toán đại số và nguyên hàm, tích phân, mảng và vector Nó cũng có thể xử lý ma trận, phân tích và tổng hợp dữ liệu

▪ Hỗ trợ các hàm để kết nối với những ứng dụng khác như Excel, Java và C,…

Simulink được xem là một mảng hoặc môi trường quan trọng trong Matlab Nó có sẵn một thư viện khổng lồ gồm các khối con, mỗi khối có chức năng riêng và có thể liên kết với nhau, giúp người dùng thuận lợi trong việc tìm kiếm và sử dụng cho các phép tính Simulink được sử dụng vào mô phỏng trong nhiều lĩnh vực trong cuộc sống như cơ điện tử, tự động hóa và hàng không, kỹ thuật điện và ô tô

Tổng quan về mô hình điều khiển động lực học động cơ PMS trên xe

Hình 5 2 Hệ thống điều khiển động cơ PMS đến bánh xe

Cấu trúc điều khiển động lực học PMSM trên xe gồm 6 khối sau đây:

+ Khối chuyển mạch điện tử- nghịch lưu nguồn áp

+ Khối động cơ PMS

+ Khối động lực học thân xe

Khối điều khiển (ECU)

5.3.1 Khối biến đổi Park Clark Để xây dựng bộ điều khiển dòng điện thì ta cần nhưng khối điều khiển sau đây: bộ điều chỉnh tốc độ, bộ điều chỉnh dòng điện, khối chuyển đổi dòng điện từ hệ tọa độ abc sang dq0 phép biển đổi này được gọi là Clark Park Mô hình này được xây dụng như trong hình 5.3

Hình 5 3 Mô hình khối điều khiển (ECU)

Hình 5 4 Khối chuyển đổi Clark

Chuyển đổi hệ trục tọa độ abc (ba pha) sang hệ trục tọa độ 𝛼𝛽 được giải quyết bởi Khối chuyển đổi Clark Khối này được xây dựng từ phường trình (4.25) Để ước lượng vị trí rotor thì khối chuyển đổi Clark xác định dòng điện chạy trong các cuộn dậy stator của động cơ

Hình 5 5 Khối chuyển đổi Park Để chuyển hệ trục tọa độ 𝛼𝛽 sang hệ trục tọa dộ dq0 thì ta sử dụng khối chuyển đổi Park Nó cấu tạo dựa trên phương trình (2.27)

5.3.2 Bộ điều khiển dòng điện

Bộ điều khiển dòng điện nhận giá trị sai lệch giữa tín hiệu dòng điện mong muốn và tín hiệu dòng điện thực tế Tín hiệu sai lệch phản hồi về gồm 𝑖 𝑑 , 𝑖 𝑞 so sánh với giá trị mong

91 muốn nên ta sử dụng song song hai bộ PI Hai điện áp 𝑢 𝑑 , 𝑢 𝑞 là kết quả đầu ra của khối tín hiệu này

Bộ điều khiển dòng điện thứ nhất nhận tín hiệu đầu ra từ bộ điều khiển tốc độ PI (𝜔 𝑟 )

Nó nhận giá trị sai lệch giữa tín hiệu này và dòng điện thực tế 𝑖 𝑑 được đưa vào Đầu ra của bộ PI này là điện áp (𝑢 𝑞 ) đặt trục q

Bộ điều khiển thứ hai nhận giá trị 𝑖 𝑑𝑐𝑜𝑚𝑚𝑎𝑛𝑑𝑒𝑑 trên trục d Nó nhận giá trị sai lệch giữa 𝑖 𝑑𝑐𝑜𝑚𝑚𝑎𝑛𝑑𝑒𝑑 với dòng dòng điện thực tế 𝑖 𝑞 Đầu ra của bộ PI này là điện áp (𝑢 𝑑 ) đặt trục d

Mô hình được thể hiện ở hình 5.6

Hình 5 6 Bộ điều khiển dòng điện

5.3.2 Bộ điều khiển tốc độ

Hình 5 7 Bộ điều khiển tốc độ

Bộ điều khiển tốc độ này nhận tín hiệu 𝜔 𝑟𝑐𝑜𝑚𝑚𝑎𝑛𝑑𝑒𝑑 Nó nhận giá trị sai lệch tốc độ này với tốc độ thực tế 𝜔 𝑟 do động cơ trả về Kết quả đầu ra của bộ điều khiển này là dòng điện 𝑖 𝑞

Khối tính toán thời gian điều khiển xung SVPWM

Hình 5 8 Khối tính toán thời gian điều khiển xung SVPWM

Trong khối này, đầu tiên là bộ chuyển đổi Park ngược để nhận tín hiệu điện áp từ 2 bộ điều khiển PI dòng điện trục dq0 Bộ chuyển đổi này có chức năng chuyển đổi hệ tọa độ dq0 sang hệ tọa độ 𝛼𝛽 Khối này được xây dựng dựa trên phương trình (4.28) Hình 5.9 cho thấy khối chuyển đổi này

Hình 5 9 Khối chuyển đổi Park ngược Để đạt được điện áp trên trục d và q mong muốn, ta tiến hành tính toán động rộng xung cho các khóa bán dẫn Từ nguồn một chiều DC, ta cần phải thực hiện so sánh điện áp mong muốn và điện áp thực tế Để tạo được xung điều khiển với độ rộng xung tương ứng ta dựa vào tính toán ở mục 4.7.4 các khóa bán dẫn (IGBT) đóng hoặc mở trong bộ nghịch

Các khóa bán dẫn đóng hoặc mở sẽ được chỉ thời gian bởi xung điều khiển Sau đó, những xung điều khiển sẽ được đưa vào bộ nghịch lưu để điều khiển PMS

Khối chuyển mạch điện tử- nghịch lưu nguồn áp (Inverter)

Bộ chuyển mạch điện tử này có thiết kế của một bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha, Với nguồn cấp là điện một chiều DC 403,3V Thông số này được tính toán ở chương 3 để tính toán pin cấp cho xe điện được thiết kế Trong mô hình này ta sử dụng 6 khóa bán dẫn IGBT được cung cấp bởi thư viện của Simulink để xây dụng bộ chuyển mạch Các khóa bán dẫn được sắp xếp theo thứ tự như sau: ở trên điệp áp dương 1-3-5, dưới điện áp âm 4-6-2 Mô hình đươc trình bày như hình 5.10

Bộ nghịch lưu nguồn áp này là nghịch lưu 3 pha 2 bậc kiểu 6 bước dẫn 180 0

Pulse generator sẽ đưa tín hiệu đầu vào là 6 xung vuông kích để đóng ngắn 6 khóa bán dẫn IGBT Sáu xung này là xung vuông PWM

Khối inverter có đầu ra là điện áp ba pha sẽ cấp đến cuộn dây stator của động cơ Trong hình 5.11 khối khóa bán dẫn IGBT được hiển thị với các thông số sau:

Hình 5 11 Giao diện khóa bán dẫn IGBT

Mô hình 5.12 cho thấy cho bộ nghịch lưu sẽ được cung cấp 6 xung vuông PWM Khối Repeating Sequence sẽ tạo một dãy xung tam giác để so sánh với dòng điện của động cơ Kết quả sẽ đưa đến khối logic hình 5.13 so sánh sau đó tới ra khối Logical Operator chuyển đổi trạng thái từ đó tạo ba xung 𝑆 1 , 𝑆 3 , 𝑆 5 Những tín hiệu đầu vào PWM khi đảo ngược sẽ tạo ra tín hiệu PWM cho 𝑆 2 , 𝑆 4 , 𝑆 6 Đây là cách để tránh hai khóa bán dẫn trong một dây pha cùng đóng

Hình 5 13 Khối logic so sánh

Khối logic so sánh này có trong khối PWM, nhiệm vụ so sánh giá trị tức thời của bộ đếm đổi xứng với giá trị trong các thanh ghi tại thời điểm phát xung Hai giá trị trên làm phát ra thời điểm gặp nhau và phát ra tín hiệu đóng mở khóa bán dẫn.

Khối động cơ PMS

Động cơ nhóm chọn theo mẫu của Simulink Present model: 16

Bảng 5 1 Thông số cơ bản của động cơ

Thông số Giá trị Điện trở stator 𝑅 𝑠 (ohm) 0,05

Từ thông nam châm vĩnh cửu ᴪ 𝑚 (Wb) 0,192

Số vòng quay định mức (rpm) 3000

Mô men định mức (Nm) 111

Hình 5 14 Giao diện thông số động cơ PMS trong simulink

Khối động lực học thân xe

Hình 5 15 Khối động lực học thân xe

Mô hình 5.15 cho thấy được mô hình xe với một cầu chủ, cầu trước chủ động Mô hình trên gồm có bốn ba xe, một bộ vi sai, một bộ hộp số với 1 cấp có một cặp bánh trăng

Hình 5 16 Giao diện khối vehicle body

Sau khi đã phân tích tính toán động lực học xe điện Các thông số xe nhóm đã có ở chương 3 Nhóm đã có số liệu nhập được hiển thị qua bảng sau:

Bảng 5 2 Thông số xe điện

Trọng lượng không tải (kg) 940

Chiều dài cơ sở (mm) 2400

Khoảng cách từ cầu trước đến trọng tâm (mm) 1320

Khoảng cách từ cầu sau đến trọng tâm (mm) 1080

Gia tốc trọng trường (𝑚/𝑠 2 ) 9,81

Tỉ số truyền hộp số 4,65

Thông số bộ điều khiển dòng điện

𝐾 𝑖_𝑖𝑞 = 0,0021 Thông số bộ điều khiển dòng điện

Khối pin LFP

Hình 5 17 Khối pin LFP

Khối pin trên hình 5.17 cho thấy được pin cung cấp nguồn năng lượng cho hệ thống với các thông số quan trọng như điện áp (V), dòng điện (I), và trạng thái sạc (SOC) Điện áp pin được giám sát thông qua các biểu đồ điện áp và dòng điện, phần trăm dung lượng pin

Hình 5 18 Giao diện của khối pin

Do phần tính toán ở phần chương 3 Ta có được thông số pin cần mô phỏng là U 403,3V với dung lượng pin là 𝐶 𝑏𝑠 = 50𝐴ℎ

Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển động lực học PMSM trên xe

Hình 5 19 Khối chọn sector

Hình 5 20 Đồ thị sector

Nhận xét: Theo quỹ đạo quay vector điện áp được các sector thay đổi, thứ tự điện áp trên sector: 1-2-3-4-5-6 Khối chọn sector xác định quỹ đạo quay của vector theo ngược chiều kim đồng hồ Chu kì quay hết một vòng của vector điện áp là 0,08s

Hình 5 21 So sánh thời điểm phát xung với xung tam giác

Nhận xét: Đường thời điểm phát xung thay đổi từ 0 đến 2e-4 có biên độ bằng e-4 tương ứng với biên độ tín hiệu đặt Độ lệch pha của 𝑆 1 𝑆 3 𝑆 5 là 2𝜋

3 Đồ thị này cho thấy được so sánh thời điểm phát xung già trị hiện thời của bộ đếm đối xứng từ đó đưa ra xung đóng ngắt tương ứng Ta thấy được khối so sánh điều khiển 3 nhánh khóa bán dẫn Khối xử lý tín hiệu PWM nhận xung điều khiển từ bồ so sánh để tạo ra tín hiệu điều khiển khóa bán dẫn IGBT

Hình 5 22 Độ thì tín hiệu điều khiển IGBT

Nhóm sử dụng khối step để cung cấp giá trị 𝑛 𝑟𝑒𝑓 Ban đầu tại t = 0 (s) giá trị

𝑛 𝑟𝑒𝑓 = 2000 rpm, tại thời điểm t = 3(s) 𝑛 𝑟𝑒𝑓 = 4000 𝑟𝑝𝑚 Ta thấy tốc độ thực của động cơ có lệch khoảng 100 rpm so với vận tốc mong muốn Nhóm đã chỉnh 𝐾 𝑝 cao lên để làm tốc độ thích ứng nhanh tuy nhiên mô phỏng đã bị dừng lại tại thời điểm t

= 1.513 (s) mà không báo lỗi Do đó, nhóm chọn 𝐾 𝑝 = 10 và 𝐾 𝑖 =0,5 cho bộ PI điều chỉnh tốc độ

5.9.1 Trường hợp 1: Xe chuyển động trong điều kiện lý tưởng không có ngoại lực

Vận hành động cơ có tốc độ phù hợp với tốc độ yêu cầu là chức năng cơ bản đối với bất kỳ một chiếc xe điện nào Nhóm thực hiện mô phỏng bắt đầu với việc tăng số vòng quay động cơ từ 2000 (rpm) đến gần 4000 (rpm) Xe tăng tốc tại thời điểm t = 1,5 (s) Thời gian mô phỏng là 4(s) Tốc độ gió hay độ dốc không được thêm vào trong trường hợp này

Hình 5 24 Đồ thị mô men khi không có ngoại lực

Hình 5 25 Đồ thị số vòng quay khi không có ngoại lực

Hình 5 26 Vận tốc ô tô khi không có ngoại lực

5.9.2 Trường hợp 2: Xe chuyển động trong điều kiện có ngoại lực

Nhóm tiếp tục mô phỏng tại trường hợp có lực bên ngoài tác dụng như lực cản gió, lực cản dốc, Độ dốc 𝛼= 30 o được thêm vào tại thời điểm t=3(s) và tốc độ gió 𝑣air = 18km/h được thêm vào từ đầu quá trình mô phỏng

Hình 5 27 Đồ thị mô men khi có ngoại lực

Hình 5 28 Số vòng quay khi có ngoại lực tác dụng

Hình 5 29 Vận tốc khi có ngoại lực

Từ đồ thị trên ta thấy tại thời điểm t = 1.5(s) khi vận tốc góc 𝜔 tăng lên thì mô men

T giảm và vận tốc do phải qua hệ thống truyền lực nên thời gian tăng lên tới vận tốc ổn

107 định lâu hơn so với tua máy Trong trường hợp xe leo dốc tại thời điểm t = 3(s) mô men xoắn tăng một lượng Trong khi đó, tua máy với vận tốc đều giảm

Hình 5 30 Cường độ dòng điện Iabc

Hình 5 31 Cường độ dòng điện Iabc khi phóng to

Dựa vào đồ thị hình 5.31 ta thấy tại thời điểm t =1.5(s): Cường độ dòng điện 𝐼 𝑎𝑏𝑐 tăng một lượng do tốc độ góc tăng cao Đồ thị hình 15 cho thấy hình ảnh cường độ dòng điện khi được phóng to nó có độ nhiễu tương đối ở 60(A)

Ta thấy được điện áp đầu ra của 3 dây pha trong khoảng 400V phù hợp với giá trị định mức

Hình 5 35 Quãng đường đi được trong 4 (s)

Dựa vào hình 5.35 ta thấy xe đi được khoảng 0.03 (km) tương đương 30(m) trong 4(s) mô phỏng Tuy nhiên khi xét SOC(%) hình 5.36 của pin ta thấy khi tốc độ ổn định thì lượng tiêu hao pin giảm rất chậm Điều này có nghĩa khi di chuyển với tốc độ ổn định thì pin rất ít tiêu hao

Hình 5 36 Phần trăm pin khi mô phỏng

Mômen xoắn của động cơ sẽ giảm dần khi khởi động và sẽ tăng nếu 𝜔 giảm đột ngột Ngược lại thì 𝐼 𝑎𝑏𝑐 sẽ tăng nếu 𝜔 tăng đột ngột Phần trăm pin cũng sẽ giảm rất chậm nếu như xe đạt tốc độ ổn định Xe đi được quãng đường 30(m) trong thời gian (4s) mô phỏng