THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN FOC CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU SỬ DỤNG INCREMENT ENCODER Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (24)

TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO VÀ ĐỘNG CƠ

Hệ truyền động servo

Hệ truyền động servo chuyển đổi điện năng thành cơ năng, tạo ra chuyển động quay hoặc tịnh tiến với khả năng điều chỉnh chính xác về tốc độ, vị trí và moment Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, động cơ servo cần kết hợp với các thành phần phù hợp.

- Động cơ (động cơ một chiều, động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ,…): có đặc tính động học tốt

- Bộ mã hóa xung vòng quay (increment encoder, absolute encoder, resolver): tạo phản hồi cho hoạt động của động cơ

- Bộ điều khiển: thông thường là PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động sử dụng vi điều khiển

- Bộ điều khiển động cơ: thiết bị điện tử có khả năng cung cấp đủ năng lượng cho động cơ theo đúng cách, đúng thời điểm

Hình 1.1 Cấu trúc hệ truyền động điện động cơ xoay chiều 3 pha

Cơ cấu truyền động servo được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, y tế cũng

Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ PMSM động hóa làm cho nhu cầu đối với hệ truyền động servo ngày càng tăng lên Các ứng dụng như sau:

- Đóng gói bao bì, in nhãn mác

- Máy gia công điều khiển số (CNC)

- Máy phẫu thuật laser, chụp chiếu

Từ những năm 60 đến 80 của thế kỷ trước, hệ truyền động servo sử dụng động cơ điện một chiều đã phát triển mạnh mẽ trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hệ servo một chiều là chi phí cao và sự phức tạp trong vận hành do có chổi than và cổ góp Với sự bùng nổ của kỹ thuật điện - điện tử trong hai thập kỷ 1980 và 1990, đặc biệt là sự ra đời của vi xử lý và các phương pháp điều khiển mới, hệ truyền động servo sử dụng động cơ điện xoay chiều ba pha với độ chính xác cao đã dần thay thế động cơ một chiều.

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Phương pháp tựa theo từ thông roto (FOC)

Moment sinh ra trong động cơ là kết quả của sự tương tác giữa dòng điện trong cuộn ứng và từ thông trong hệ thống kích từ Để đạt được moment tối đa và giảm thiểu mức độ bão hòa của mạch từ, từ thông cần được duy trì ở mức tối ưu Khi từ thông không đổi, moment sẽ tỷ lệ thuận với dòng phần ứng Động cơ điện hoạt động như một nguồn moment có thể điều khiển, và yêu cầu điều khiển chính xác giá trị moment tức thời là rất quan trọng trong các hệ truyền động có đặc tính cao, đặc biệt khi sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục roto.

Điều khiển động cơ theo nguyên lý định hướng từ trường có nhiều phương pháp, bao gồm định hướng từ thông roto, từ thông stator và từ thông khe hở không khí Trong số đó, phương pháp điều khiển từ thông roto (FOC) được ưa chuộng nhờ đáp ứng hai yếu tố quan trọng.

- Dễ dàng cho việc mô hình hóa

- Dễ thiết kế, xây dựng cấu trúc điều khiển

Kết luận: Để thành công trong việc điều khiển vector dòng i s một cách nhanh chóng, chính xác và không có sự tương tác giữa quá trình từ hóa và quá trình tạo momen, chúng ta có thể thiết kế các vòng điều khiển vòng ngoài tương tự như động cơ một chiều.

 Việc thiết kế bộ điều khiển trở nên quen thuộc và đơn giản hơn.

Cấu trúc cơ bản của FOC

Động cơ một chiều với hai mạch điện kích từ và phần ứng hoàn toàn cách ly cho phép điều khiển độc lập dòng điện tạo từ thông và dòng điện tạo momen quay.

Ngược lại, động cơ xoay chiều ba pha có cấu trúc phức tạp và đã gây khó khăn

Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng cho động cơ PMSM của ngành công nghiệp vi xử lý, điện tử công suất nên việc áp dụng các phương pháp phức tạp vào điều khiển động cơ không đồng bộ ngày càng trở nên dễ dàng hơn Một trong những phương pháp tối ưu hiện nay là phương pháp điều khiển định hướng từ thông (Field orientated control - FOC) Phương pháp FOC gồm có các loại sau: điều khiển định hướng theo từ thông stator và điều khiển định hướng theo từ thông rotor.Tuy nhiên phương pháp điều khiển định hướng theo từ thông rotor có nhiều ưu điểm vượt trội: ứng dụng phương pháp vector không gian ta có thể dễ dàng xây dựng mô hình động cơ và các phương trình trên hệ tọa độ (d - q), triệt tiêu thành phần từ thông rotor trên trục (q), còn thành phần từ thông rotor trên trục (d) có thể xem như một đại lượng một chiều, các đại lượng dòng điện, điện áp khi được chiếu lên hai trục tọa độ d và q cũng là các thành phần một chiều Từ đó có thể sử dụng các bộ PI để điều khiển từng thành phần dq

Clarke sd 𝛼𝛽 u u sq u s  u s  t u t w i u i v i w i s  i s  i sd i sq

Hình 2.1 Cấu trúc FOC cho PMSM sử dụng DSP

- Khối 1: Bộ điều khiển vị trí R  , đầu vào là sai lệch của giá trị vị trí đặt  * và vị trí thực , đầu ra là tốc độ đặt  *

- Khối 2: Bộ điều khiển tốc độ R  , đầu vào là sai lệch của giá trị tốc độ đặt  * và tốc độ thực , đầu ra là giá trị đặt i sq *

Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng cho động cơ PMSM

Bộ điều khiển dòng điện R i trong khối 3 thực hiện chức năng khử đan kênh và nhanh chóng áp đặt hai dòng i sd và i sq, từ đó chuyển đổi chúng thành hai đại lượng quan trọng: từ thông roto và momen quay.

- Khối 4: Khối biến đổi hệ tọa độ iPark, chuyển đổi hệ trục dq

- Khối 5: Bộ điều chế vector không gian SVM

- Khối 6: Khối phát xung PWM để cấp tín hiệu điều khiển cho van

- Khối 7: Khối nghịch lưu phía động cơ, biến đổi điện áp 1 chiều về dạng xoay chiều cấp cho động cơ

- Khối 8+9: Khối tích phân tốc độ trả về vị trí

- Khối 10: Khối biến đổi hệ tọa độ Park, chuyển đổi hệ trục  dq

- Khối 11: Khối biến đổi hệ tọa độ Clarke, chuyển đổi hệ trục abc

- Khối 12: Khối đo và chuẩn hóa tín hiệu dòng

- Khối 13: Bộ QEP xử lý tín hiệu từ encoder trả về

- Khối 15: Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu.

Mô hình hóa động cơ

Phương trình điện áp stator (trên hệ thống cuộn dây stator):

Với R s : điện trở stator; ψ s s : từ thông stator

Ta chuyển phương trình trên từ hệ thống cuộn dây pha của stator sang hệ tọa độ tựa từ thông rotor, ta được:

Quan hệ giữa từ thông stator và rotor được mô tả:

Trong (2.3) ψ p f là vector từ thông cực, với trục d của hệ tọa độ trùng với trục của từ thông cực Do đó, thành phần vuông góc (thành phần trục q) của ψ p f bằng không, dẫn đến việc vector từ thông chỉ có duy nhất thành phần thực.

Phương trình các thành phần từ thông:

 sd sd sd p sq sq sq

Thay hai phương trình (2.3), (2.5)vào (2.2) sẽ thu được:

 sd sd s sd sd s sq sq sq sq s sq sq s sd sd s p u R i L di L i dt u R i L di L i dt

Từ phương trình moment tổng quát của máy điện từ trường quay

Thay (2.5) vào (2.8) ta thu được phương trình tính moment quay của ĐCĐB- KTVC:

M c p sq sd sq sd sq m P i i i L L (2.9)

Khi xây dựng hệ thống điều khiển từ thông rotor, việc điều khiển vector dòng i s sao cho nó vuông góc với từ thông cực là rất quan trọng Điều này giúp loại bỏ thành phần tạo từ thông, chỉ giữ lại thành phần tạo moment quay Do đó, ta có i sd = 0, từ đó có thể thu được phương trình moment.

Chuyển (2.16) sang miền ảnh Laplace, ta được:

 sd s sd sd s sq sq sq s sq sq s sd sd s p u R s T i L i u R s T i L i (2.11)

Các khâu chuyển hệ trục tọa độ

2.4.1 Khâu chuyển đổi hệ trục abc

Sử dụng công thức clarke:

Hình 2.2 Khối chuyển hệ tọa độ abc

2.4.2 Khâu chuyển đội hệ trục  dq

Sử dụng công thức park

Hình 2.3 Khối chuyển đội hệ trục  dq

2.4.3 Khâu chuyển hệ tọa độ dq

Sử dụng công thức park:

Hình 2.4 Khâu chuyển hệ tọa độ dq

Khâu điều chế vector điện áp

Hình 2.5 Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha

Ta sẽ thu được tổng cộng 8 vector điện áp cố định tương ứng với 8 trạng thái của mạch nghịch lưu – được gọi là 8 vector biên chuẩn

Hình 2.6 Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh 

Vị trí vector điện áp u s có thể nằm bất kỳ trong các sector trên hệ tọa độ tĩnh

 Các bước thực hiện phương pháp điều chế vector không gian:

Bước 1: Xác định trạng thái (vecto chuẩn) của mạch nghịch lưu

Ta thấy biên độ các vector chuẩn  u , u , u , u , u , u 1 2 3 4 5 6  đều có độ lớn là

23U dc và các góc pha lệch nhau một góc

3 , biên độ của 2 vector không còn lại

 u , u 0 7  có độ lớn bằng không Từ các cặp vector biên chuẩn này, không gian vector chia làm 6 sector đều nhau, có độ mở là

Nguyên tắc điều chế không gian vector bao gồm việc tổng hợp vector điện áp đặt từ các vector điện áp đã biết trong mạch nghịch lưu Để thực hiện điều này, ta sẽ tiến hành theo các bước cụ thể.

- Tính toán thời gian thực hiện cả vector chuẩn bao gồm cả thời gian thực hiện vector không và vector tích cực trong một chu kì điều chế

- Xác định trình tự thực hiện các vector chuẩn khi vector điện áp đặt nằm trong các sector khác nhau

- Xuất ra thời gian đóng cắt cho các nhánh van mạch nghịch lưu

Bảng 2.1 Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn

Bước 2: Xác định vị trí vector điện áp đặt u s

Sử dụng phương pháp đại số để xác định vị trí vector điện áp đặt u s

Hình 2.7 Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời u sa ,u u sb , sc

Tính u sa , u sb , u sc theo (*) u sa ≥ u sb

(*) u α u β u sb ≥ u sc u sb < u sc u sc ≥ u sa u sc < u sa

Sector 3 Sector 2 Sector 4 Sector 1 Sector 5 Sector 6

Sai Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng

Hình 2.8 Thuật toán xác định vector điện áp trong mỗi sector

Bước 3: Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện hai vector chuẩn trong mỗi chu kỳ điều chế T s

Vector điện áp đặt u s sẽ được tổng hợp từ hai vector biên trong khoảng thời gian T T 1 , 2 Thời gian còn lại (T s T 1 T 2 ) thực hiện vector không

1, 2 d d được xác định như sau:

Hệ số d 0 điều chế vector không xác định d 0    1 d 1 d 2

Bảng 2.2 Bảng tổng hợp ma trận trong mỗi sector

Bước 4: Tính toán thời gian thực hiện hoặc hệ số điều chế cho nhánh van nghịch lưu trong mỗi chu kỳ T s Để giảm thiểu tổn hao do việc đóng cắt các van, cần đảm bảo rằng trong mỗi chu kỳ, các cặp van phải thực hiện chuyển đổi một cách đồng bộ.

Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1

Bảng 2.3 Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1 u 1 u 2 u 7 u 0

Trình tự chuyển mạch như sau u 1 u 2 u 7 u 2 u 1 u 0 với thời gian tương ứng d a d b  d c d b d a thì số lần chuyển mạch là ít nhất Ta có mẫu xung đưa ra trong Sector 1 như sau: s 2

Sector 1Hình 2.10 Mẫu xung chuẩn trong Sector 1 Tương tự xét trong các sector còn lại, ta có kết quả:

Sector Thời gian đóng/cắt Sector Thời gian đóng/cắt

Thiết kế các bộ điều khiển

2.6.1 Thiết kế bộ điều khển dòng điện

Bộ điều khiển dòng giữ vai trò quan trọng trong việc khống chế quá trình điện từ bằng cách khử hằng số thời gian của mạch stator Điều này được thực hiện thông qua việc chọn điểm không của bộ điều khiển PI tương ứng với điểm cực của đối tượng điều khiển Đối với ĐCXCBP và ĐCĐB-KTVC, các thành phần trên các trục d và q có sự tương tác lẫn nhau Tuy nhiên, nhờ có bộ điều khiển dòng kết hợp với việc khử tương tác, chúng ta có thể điều khiển độc lập hai quá trình quan trọng: quá trình từ hóa và quá trình tạo moment quay.

Vòng dòng điện sử dụng hai bộ điều khiển PI độc lập để điều khiển hai thành phần dòng một chiều i sd và i sq Nhiệm vụ của các bộ điều khiển này là tính toán các thành phần điện áp u sd và u sq, là đầu ra của hai bộ PI.

Ta có hệ phương trình của động cơ PMSM:

 sd s sd sd s sq sq sq s sq sq s sd sd s p u R p T i L i u R p T i L i (2.17) trong đó: sd  L sd ; sq  L sq

Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng cho động cơ PMSM Để đảm bảo không tương tác giữa 2 thành phần trục d và trục q thì ta có cấu trúc của bộ điều khiển dòng điện có dạng như sau:

Hình 2.11 Cấu trúc đan kênh của bộ điều khiển dòng điện Để đơn giản cho cách thiết kế bộ PI, ta thực hiện như sau:

- Bỏ qua thành phần đan kênh

- Coi SVM là khâu có hàm truyền bằng 1

 sd s sd sd sq s sq sq u R p T i u R p T i (2.18)

Như vậy ta thiết kế 2 bộ điều khiển PI cho 2 đối tượng i sd và i sq là giống nhau

Ta có hàm truyền của dòng điện:

G s R s T (2.19) Đối tượng là khâu quán tính bậc nhất, ta lựa chọn bộ điều khiển có dạng PI

Xét thành phần trên trục d:

Hình 2.12 Cấu trúc bộ điều khiển dòng stato i sd

Ta chọn T id T sd khi đó ta có hàm truyền hệ hở có dạng:

  pd  hd Risd isd d s sd

 pd  pd  pd d s sd sd sd s s k k k k R T R L L

Ta lựa chọn hằng số thời gian của hàm truyền hệ kín bằng số nguyên nhần chu kì phát xung:

 kết quả thông số của bộ PI như sau: n.

 sd id sd s sd pd k

Biến đối tương tự với thành phần trục q ta có kết quả thông số của bộ PI là:

 sq iq sq s sq pq k

2.6.2 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ quay

Khi vòng điều khiển dòng điện hoạt động chính xác và không có sự tương tác giữa hai thành phần trục d và trục q, hàm truyền đạt của vòng điều khiển dòng điện có thể được coi là xấp xỉ 1.

Xuất phát từ phương trình chuyển động:

 M L L  c p sq d d m m J m P i J dt dt (2.24) trong đó: P c là số đôi cực của động cơ và J là momen quán tính của động cơ,

 p là từ thông Rotor Chuyển về dạng Laplace:

Hàm truyền đạt của đối tượng:

Lúc này ta có cấu trúc của bộ điểu khiển tốc độ quay có dạng:

Hình 2.13 Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ

Ta có hàm truyền hệ hở :

Theo dạng chuẩn của hàm bậc hai có dạng:

Trong đó:  n là tần số dao động riêng

 là hệ số dao động tắt dần (0 <  Điện áp -1.5V đến 1.5V, sau khi qua INA128 điện áp được tịnh tiến lên 0-3V để cấp cho adc của vi điều khiển

Chương 3 Xây dựng hệ thống thực nghiệm và kết quả thực nghiệm

Hình 3.9 Tổng quang mạch điều khiển Theo như sơ đồ trên, mach điều khiển bộ biến đổi gồm các phần sau:

- Khối lập trình logic CPLD

- Khối phát xung (PWM) và đọc tín hiệu đo lường (ADC)

- Khối giao tiếp ngoại vi DI/DO

- Khối đo tốc độ QEP a) Vi điều khiển TMS320F2877s

Sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử đã dẫn đến sự ra đời của nhiều loại vi xử lý và vi điều khiển, phục vụ cho các ứng dụng đa dạng Hiện tại, trong hệ thống điều khiển, các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và tính linh hoạt của các ứng dụng công nghệ.

(Microprocessor/Microcontroller), các chip xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing)

Vi xử lý DSP là loại vi điều khiển đặc biệt, nổi bật với khả năng thực hiện các bài toán tính toán phức tạp với độ chính xác và tốc độ cao, chủ yếu được phát triển cho lĩnh vực xử lý tín hiệu Texas Instruments cung cấp ba dòng DSP chính: C6000, C5000 và C2000 Dòng C6000 thường được sử dụng trong các ứng dụng xử lý ảnh, âm thanh và truyền thông đa phương tiện Dòng C5000 được thiết kế cho các thiết bị di động và điện thoại, trong khi dòng C2000 được ứng dụng trong điều khiển số, điện tử công suất và truyền động điện.

Dòng vi xử lý DSP hỗ trợ tính toán số học dấu phẩy động và dấu phẩy tĩnh, giúp tăng tốc độ tính toán Để phục vụ cho các bài toán điều khiển truyền động, Texas Instruments cung cấp thư viện “C28x DMC Library” với các khối như chuyển tọa độ Park, Clarke, khối điều khiển PID và khối điều chế vector không gian SVGenDQ.

Với cấu trúc điều khiển như bộ điều khiển nghich lưu phía động cơ, em xin đề xuất dùng vi xử lý DSP TMS320F28377s của hãng Texas Intrument

Giới thiệu về vi điều khiển DSP TMS320F28377s

Vi điều khiển DSP TMS320F28377s là một sản phẩm 32bit dấu phẩy tĩnh thuộc dòng C2000 của Texas Instruments, nổi bật trong các ứng dụng điện tử công suất và hệ thống truyền động điện nhờ vào khả năng tính toán nhanh chóng.

Một số đặc điểm của vi điều khiển TMS320F28377s:

- Tần số xung clock tối đa 200MHz

- Hỗ trợ tính toán dấu phẩy động

- Bộ nhớ Flash 1MB, bộ nhớ RAM 164KB

- Có 16 kênh ADC với độ phân giải 12 bit hoặc 16 bit

- Hỗ trợ các chuẩn truyền thông SPI, UART, CAN, USB, I2C

- Có 160 chân GPIO có thể lập trình được

Cấu trúc phần cứng của DSP TMS320F28377s được xây dựa trên kiến trúc phần cứng Harvard architecture Đây là cấu trúc giúp tăng hiệu suất của thiết bị

Hình 3.11 Kiến trúc vi điều khiển

CPU DSP TMS320F28377s có khả năng thực hiện phép nhân và phép cộng đồng thời nhờ vào bộ nhân 32x32 bit và khối ALU Bên cạnh đó, CPU này cũng hỗ trợ tính toán dấu phẩy động, cho phép xử lý trực tiếp các số thực phẩy động.

Texas Instruments cung cấp dòng DSP cho phép lập trình viên sử dụng ngôn ngữ C hoặc Assembly Hãng đã phát triển công cụ Code Composer Studio mạnh mẽ, hỗ trợ việc Debug chương trình Ngoài ra, Texas Instruments còn cung cấp các thư viện như “C28x Digital Motor Control” và “C28x Solar Library”, giúp giải quyết hiệu quả các bài toán điều khiển.

PLD, viết tắt của Programmable Logic Devices, là thiết bị logic có khả năng lập trình Bên trong PLD có các phần tử logic như AND, OR, INVERT, LATCH và FLIP-FLOP, cho phép người dùng kết nối chúng để thực hiện các hàm logic tùy chỉnh.

Các thiết bị logic khả trình bao gồm nhiều loại như PROM, PAL, GAL, PLA, Complex PLD, và FPGA Đặc biệt, CPLD (Complex PLD) nổi bật với khả năng thực hiện các hệ thống logic phức tạp.

Khối CPLD tổng hợp tín hiệu logic từ mạch đo và tín hiệu lỗi từ van IGBT, tạo ra tín hiệu chung để báo lỗi của mạch đo và tín hiệu chung để báo lỗi van.

Trong đề tài sử dụng CPLD EPM240T100C5N TQFP100 Một số thông số của CPLD như sau:

- Có 80 chân cho phép lập trình

- Thời gian trễ đáp ứng tối đa là 4,7 ns

- Điện áp tín hiệu vào ra 3,3V, hoạt động ở tần số 66MHz

- Có khả năng bảo mật, tương thích chuẩn PCI

Chuẩn hóa tín hiệu

Các công thức trong báo cáo được xây dựng dựa trên các biến và tham số ở dạng đại lượng vật lý nguyên thủy Để có thể cài đặt và viết chương trình sử dụng chúng, cần chuẩn hóa dữ liệu, biến các đại lượng có thứ nguyên thành các đại lượng không có thứ nguyên, nhằm phục vụ cho việc cài vào vi điều khiển.

3.2.1 Chuẩn hóa mạch vòng điều chỉnh dòng điện ĐC dòng điện i q * i d * i q i d ĐC điện áp u d u q

Hình 3.17 Bộ điều chỉnh dòng điện Đầu ra của bộ điều chỉnh là lượng đặt dòng điện:

Thực hiện sai phân (backwark euler)

 p p dq dq i i i s dq dq dq p i u k K i k i k u k u k K T i k i k u k u k u k

_ max _ max _ max _ max _ max _ max

 s dsp dsp dsp p p dq dq s s dsp dsp dsp dsp i i s i dq dq s dsp dsp dsp dq p i u k K I i k i k

3.2.2 Chuẩn hóa mạch vòng điều chỉnh tốc độ Đầu ra bộ điều khiển tốc độ:

Thực hiện sai phân (backwark euler):

 s dsp dsp dsp p p e e s s dsp dsp dsp dsp i i s i e e s dsp dsp dsp p i i k K k k

3.2.3 Chuẩn hóa mạch vòng điều chỉnh vị trí Đầu ra bộ điều khiển vị trí:

Thực hiện sai phân (backwark euler):

 s dsp dsp dsp p p s s s s dsp dsp dsp dsp i i s i s s s dsp dsp dsp e p i k K k k k k T K k k k k k

3.2.4 Chuẩn hóa thuật toán tính toán tốc độ

3.2.5 Chuẩn hóa thuât toán SVM

Xét ví dụ trong sector 1, ta tính được hệ số điều chế d 1 , d 2 cho hai vector chuẩn u 1 , u 2

_ max _ max _ max _ max _ max

DC s DC s s dsp dsp dsp

Xác định vị trí đỉnh cực ban đầu

Để điều khiển động cơ PMSM theo nguyên lý FOC một cách chính xác, việc xác định vị trí đỉnh cực ban đầu của rotor là rất quan trọng Nhiều phương pháp thực nghiệm đã được phát triển nhằm giải quyết vấn đề xác định vị trí này cho động cơ PMSM.

3.3.1 Vì sao phải đƣa về vị trí định cực

Để đảm bảo thiết kế chính xác, việc căn chỉnh trục d với trục của rotor là rất quan trọng; nếu sai lệch ngay từ đầu, toàn bộ thiết kế sẽ bị ảnh hưởng và bộ điều khiển vị trí sẽ không còn hiệu quả.

Trong quá trình khởi động động cơ, nếu tần số nguồn cấp vào các cực được giữ ở tần số đồng bộ, moment sinh ra trên đầu trục động cơ sẽ có dạng như hình 4.26 Hệ quả là moment trung bình trên đầu trục bằng không, khiến động cơ không thể tăng tốc và bị rung tại một vị trí.

Thứ ba, nếu việc xác định vị trí ban đầu của từ thông rotor không chính xác sẽ không phát huy được moment khởi động

Hình 3.18 Moment trên đầu trục động cơ bị đập mạch

Đối với encoder gia tăng, việc xác định vị trí ban đầu của từ thông rotor là một thách thức Để khắc phục nhược điểm này, bài viết đề xuất hai phương pháp: đầu tiên là phương pháp cấp điện áp đặc biệt, và thứ hai là phương pháp đưa rotor về vị trí đỉnh cực thông qua bộ điều khiển dòng Vị trí đỉnh cực được xác định là khi góc giữa vector từ thông rotor và pha U của stator bằng không.

3.3.2 Phương pháp cấp điện áp đặc biệt

Mục đích: Xác định góc lệch ban đầu giữa trục từ thông roto ở 2 vị trí: vị trí thẳng góc với trục từ pha U và vị trí encoder xuất hiện Z

Góc offset được thể hiện trong hình 3.19, với đường  r đại diện cho góc thực của từ thông roto và  enc là góc mà encoder đo được Phương pháp này cho phép xác định góc  để hiệu chỉnh encoder, đảm bảo rằng nó trả về góc chính xác.

Để xác định offset, có thể ước lượng từ tín hiệu encoder khi roto đi qua các vị trí đặc biệt Để đưa roto về những vị trí này, cần cấp các giá trị từ thông stato đã được đặt trước thông qua việc áp dụng 6 điện áp chuẩn.

Hình 3.20 Các vector đặc biệt Các bước thực hiện:

Đầu tiên, cần đóng các vector điện áp từ V1 đến V6 theo thứ tự và lặp lại quy trình này với khoảng thời gian 0.5 giây giữa mỗi lần lặp cho đến khi nhận được xung Z, đánh dấu thời điểm góc đo reset về 0.

- Sau đó đóng V1 để đưa trục từ thông roto về trùng trục từ pha U

- Góc đọc được là góc cần tìm

Hình 3.21 trình bày thuật toán phương pháp cấp điện áp đặc biệt cho động cơ có p đôi cực Kết quả tính toán cho thấy góc cơ cần được hiệu chỉnh để xác định góc điện cho hệ trục dq tựa Việc hiệu chỉnh được thực hiện theo công thức: e m.

3.3.3 Phương pháp sử dụng bộ điều khiển dòng điện R i

Bước 1: Sử dụng bộ điều khiển dòng với các giá trị như sau:

  sd sq s sd s s s s sd s sq s s s s sq s s s i i i i i i i iPark i i i i i

Từ trường cuộn dây pha U cùng chiều với từ thông Rotor

Từ trường cuộn dây pha V, W ngược chiều với từ thông Rotor (khử từ)

 Từ thông Rotor trùng pha U

Bước 2: Cấp dòng và cho encoder bắt đầu đếm cho đến khi nhận tín hiệu xung Z, sau đó lưu giá trị ngay trước khi bộ đếm được thiết lập lại Giá trị này chính là offset dùng để hiệu chỉnh theo phương pháp đã nêu.

Phương pháp 3.3.2 yêu cầu tính toán chính xác giá trị điện áp U dc cho các vector nhằm ngăn ngừa tình trạng điện áp quá cao kéo dài.

Phương pháp 3.3.3 mất nhiều thời gian

Để khắc phục vấn đề, nếu vi điều khiển có modul QEP, chỉ cần đưa từ thông roto về trục pha U bằng cách thực hiện vector V1 trong phương pháp 3.3.2 hoặc bước 1 của phương pháp 3.3.3 Sau đó, cấp nguồn cho bộ điều khiển để nó hoạt động liên tục Bỏ qua chế độ reset counter khi qua xung Z và cho phép counter đếm đến giá trị tối đa mong muốn.

Hình 3.22 Trình tự khởi động

Đo dòng điện stator

Kỹ thuật đo dòng stator là yếu tố quan trọng trong thiết kế bộ điều khiển (BĐK), ảnh hưởng đến đặc tính động học của vòng điều khiển dòng, từ đó quyết định chất lượng BĐK tốc độ quay và BĐK vị trí Do đó, việc áp dụng kỹ thuật đo này cần được xem xét ngay từ giai đoạn thiết kế hệ truyền động điện.

Kỹ thuật này được ưa chuộng nhờ khả năng đạt độ phân giải cao, nhưng cũng gặp khó khăn với hài bậc cao do điều chế điện áp Để khắc phục, ta thường thêm các khâu lọc số, tuy nhiên, điều này có thể làm giảm hiệu suất động học của hệ thống.

Sóng cơ bản của dòng stator Dòng thực Điện áp

Chương 3 Xây dựng hệ thống thực nghiệm và kết quả thực nghiệm Để đo chính xác hài cơ bản, đồng thời khử triệt để hài bậc cao do băm xung áp gây nên, ta phải xác định được thời điểm trích mẫu đo phù hợp Theo hình 401 trích mẫu đo xảy ra đúng chính giữa khoảng thời gian T 0 hoặc T 7 Ưu điểm của phép đo trên là không cần đến khâu lọc số và do đó loại trừ được khả năng gây quán tính phụ cho phép đo Nhược điểm dễ thấy là vì T 0 cũng như T 7 luôn thay đổi tùy chế độ vân hành, dẫn đến thời điểm trích mẫu là không cố định khó khăn cho việc thực hiện như hình 3.24 Có thể khắc phục nếu ta sử dụng khung thời gian như hình 3.25 và thời điểm trích mẫu đo chính giữa khoảng thời gian T 7

Hình 3.24 Trình tự điều chế theo lý thuyết

Hình 3.25 Trình tự điều chế sau khi sửa

Trong hình 3.25, tần số trích mẫu và tần số băm xung được thể hiện là bằng nhau; tuy nhiên, thực tế cho thấy xu hướng tăng tần số băm xung nhằm giảm sóng hài bậc cao trong dòng đã dẫn đến việc chọn tần số băm xung là bội số nguyên của tần số trích mẫu Quá trình trích mẫu đo sẽ diễn ra tại thời điểm giữa khoảng thời gian T7 cuối cùng của chu kỳ băm xung hoặc tại điểm giữa hai chu kỳ điều khiển.

Xây dựng chương trình trên vi điều khiển

Chương trình trên vi điều khiển xử lý trên 2 khối xử lý song song để tăng tốc độ tính toán và sử lý cho bài toán:

- CPU: Cấu hình các module, lưu các biến, truyền thông

- CLA: Tính toán các thuật toán cho hệ thống

Khối ADC sẽ thực hiện việc đọc các tín hiệu điện áp DC và dòng điện pha Khi kích hoạt, ADC bắt đầu chuyển đổi tín hiệu SOCx từ Module PWM1 với chu kỳ trích mẫu tương ứng tần số phát xung 10kHz.

Khối PWM hoạt động với tần số phát xung 10kHz, và hệ số điều chế cho từng kênh PWM sẽ được cập nhật sau mỗi chu kỳ khi CLA hoàn thành thuật toán và cấu trúc điều khiển.

Khối CLA thực hiện thuật toán và cấu trúc điều khiển sau khi ADC xử lý thức xong

Trong đồ án này, tôi sử dụng tần số phát xung là 10kHz, tần số trích mẫu tương ứng với tần số vòng điều khiển dòng điện là 5kHz, và tần số cho vòng điều khiển tốc độ cùng vòng điều khiển vị trí là 1kHz.

Khai báo biến và các module tính toán

Khởi tạo cấu hình các mudule

Hình 3.26 Lưu đồ thuật toán hàm main

Vị trí đỉnh cực Reset counter

- Tính góc điện và góc cơ

Hình 3.27 Lưu đồ thuật toán đọc encoder

Hàm main được thực hiện bên CPU có nhiệm vụ khai báo các tham số điều

QEP là 1 module ngoại vi chuyên sử dụng để đọc tín hiệu do increment encoder phản hồi và trả về các thông tin: hướng, vị trí

Khi bắt đầu, thanh ghi đếm xung encoder được giữ ở giá trị 0 cho đến khi roto đạt vị trí đỉnh cực Sau giai đoạn khởi động, quá trình đếm xung bắt đầu Trong chế độ bình thường, encoder sử dụng xung Z để reset đếm về 0 khi hoàn thành một vòng quay, khiến QEP chỉ đọc trong khoảng 0-1, gây khó khăn trong việc điều khiển vị trí nhiều vòng quay Để khắc phục, module QEP cho phép hoạt động ở chế độ tràn thanh ghi đếm xung mà không cần xung Z.

- Khai báo tham số BĐK

- Khai báo giá trị đặt

Vị trí đỉnh cực Đưa roto về vị trí đỉnh cực

- Đọc phản hồi dòng, tốc độ, vị trí

- Tính toán hệ số điều chế và phát xung

Hình 3.28 Lưu đồ thuật toán tính toán bên CLA

Khi nhận tín hiệu khởi động, rotor sẽ được đưa về vị trí ban đầu nhờ bộ điều khiển dòng điện Tiếp theo, động cơ sẽ được khởi động với các chế độ điều khiển khác nhau như moment, tốc độ và vị trí, trong đó tốc độ thực hiện vòng là một yếu tố quan trọng.

Kết quả thực nghiệm

3.6.1 Chế độ điều khiển tốc độ Để kiểm chứng khả năng thay đổi vận tốc nhanh, trơn, mịn, em lần lượt cho thay đổi lượng đặt tốc độ với kịch bản như sau: 350 v/p, 1450v/p, 1000v/p

Hình 3.29 Hệ số điều chế

Hình 3.31 Đáp ứng tốc độ phóng to quá độ

Hình 3.32 Đáp ứng tốc độ chụp trên CCS

3.6.2 Chế độ điều khiển vị trí

Kịch bản thử nghiệm: đặt lượng đặt vị trí tương ứng với 80.1 vòng quay, sau đó quan sát đáp ứng tốc độ, vị trí và dòng điện

Hình 3.33 Đáp ứng dòng điện i sd

Hình 3.34 Đáp ứng dòng điện i sq

Hình 3.35 Đáp ứng vị trí và tốc độ

Hình 3.36 Góc điện đã chuẩn hóa

Sau khi mô phỏng cấu trúc điều khiển FOC cho ĐC PMSM trên Matlab, em đã chạy thực nghiệm trên 2 ĐC 0.4kW và 2.1kW

Vòng điều khiển tốc độ cho thấy hệ số điều chế và đáp ứng tốc độ tương đồng với kết quả mô phỏng, cho phép tốc độ bám theo lượng đặt nhanh chóng và giảm thiểu độ quá điều chỉnh.

Với vòng điều khiển vị trí, khi không tải, các thành phần dòng i sd và i sq gần như bằng 0 Đáp ứng về tốc độ và vị trí tương tự như kết quả mô phỏng, cho thấy vị trí bám sát lượng đặt với độ quá điều chỉnh nhỏ và sai lệch tĩnh đạt 0.01 vòng.

Mô hình thức nghiệm có thể hoạt động với các động cơ trong dải công suất dưới 5kW.

Tiêu đề	Thiết Kế Cấu Trúc Điều Khiển FOC Cho Động Cơ Đồng Bộ Kích Thích Vĩnh Cửu Sử Dụng Increment Encoder
Tác giả	Trần Minh Trường
Người hướng dẫn	TS. Vũ Hoàng Phương, PGS.TS. Trần Trọng Minh
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Tự động hóa
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	4,23 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1] Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển vector truyền động điện xoay chiều ba pha, nhà xuất bản Bách khoa Hà nội, 2016	Khác
[2] Ramesh T Ramamoorthy, Brett Larimore, Manish Bhardwaj, Sensored Field Oriented Control of 3-Phase Permanent Magnet Synchronous Motors using F2837x, Texas Instruments	Khác
[3] Texas Instruments 2015, DesignDRIVE Development Kit IDDK v2.2.1 - User’s Guide	Khác
[4] Texas Instruments 2015, DesignDRIVE Development Kit IDDK v2.2.1 - Hardware Reference Guide	Khác
[5] Vector Control for Permanent Magnet Synchronous Motor with Encoder (Algorithm), Renesas Electronics Corporation, 2017	Khác
[6] Kristiansen Baricuatro, Sensorless Start-up and Control of Permanent Magnet Synchronous Motor, Department of Electric Power Engineering, Norwegian University of Science and Technology, 2014	Khác
[7] Fernando Briz, David Díaz-Reigosa, Michael W. Degner†, Pablo García, Juan Manuel Guerrero, Current Sampling and Measurement in PWM Operated AC Drives and Power Converters, the 2010 International Power Electronics Conference	Khác
[8] Motor Control Solutions Using Freescale Controllers, Freescale Semiconductor, Inc, Embedded Connectivity Summit 2004	Khác