TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo, như máy cắt gọt kim loại, máy đóng gói, máy gia công chính xác và robot, do đó, bộ điều khiển của động cơ đóng vai trò quan trọng Với sự phát triển của các bộ điều khiển hiện đại và ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn, động cơ xoay chiều đã trở thành lựa chọn ưu việt cho hệ thống điều khiển Chất lượng của các hệ thống điều khiển truyền động điện phụ thuộc vào khả năng thay đổi tốc độ, độ chính xác cao và độ ổn định trong quá trình điều chỉnh Những yêu cầu ngày càng khắt khe đặt ra cho các hệ thống điều khiển tự động đã dẫn đến việc nghiên cứu và áp dụng nhiều lý thuyết điều khiển khác nhau Các phương pháp như điều chỉnh thích nghi, điều khiển trượt, mạng nơron nhân tạo, hệ mờ và các hệ điều khiển lai đã được sử dụng để nâng cao hiệu quả của các hệ truyền động điện.
Việc sử dụng động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu trong công nghiệp đang gia tăng do tốc độ nhanh và độ chính xác cao Hiện nay, nhiều hệ thống sử dụng cảm biến và encoder quang để đo tốc độ, dẫn đến tăng chi phí Để khắc phục tình trạng này, tác giả đã chọn đề tài “Ứng dụng thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng trong điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến bằng công nghệ FPGA.” Nếu đề tài được thực hiện thành công, nó sẽ cung cấp một phương pháp điều khiển tốc độ chính xác mà không cần cảm biến, từ đó giảm chi phí sản phẩm, kích thước và nhiễu xâm nhập, giúp hệ thống hoạt động tối ưu hơn.
Tổng quan về tình hình trong và ngoài nước
Một số đơn vị quốc tế đã tiến hành nghiên cứu hệ thống dựa trên bộ xử lý tín hiệu số chuyên dụng (DSP), mang lại độ chính xác cao nhưng có chi phí khá tốn kém.
Tác giả chưa tìm thấy bất kỳ nghiên cứu hoặc công bố nào về phương pháp điều khiển động cơ không cảm biến dựa trên công nghệ FPGA tại Việt Nam, dù đã tham khảo các tạp chí, hội nghị nghiên cứu trong nước và tìm kiếm thông tin trên internet.
Mục tiêu nghiên cứu
Tập trung nghiên cứu thành công giải thuật điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến
Nghiên cứu và viết toàn bộ các mã điều khiển bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL)
1.4 Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu:
Tác giả chủ yếu nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ PI và thuật toán điều khiển không cần cảm biến Bằng cách sử dụng ngôn ngữ mô phỏng phần cứng, tác giả lập trình và kiểm tra tất cả các thông số của hệ thống một cách hiệu quả.
Tìm hiểu các nguyên lý hoạt động của động cơ và bộ điều khiển FPGA là cần thiết để thiết kế bộ điều khiển tốc độ và bộ điều khiển dòng điện hiệu quả.
Mô phỏng toàn bộ các quy trình thiết kế nhằm tìm ra các lỗi để khắc phục
1.6 Kết quả mà đề tài mang lại sau khi hoàn thiện
Trong bối cảnh kinh tế thị trường hiện nay, nhu cầu về máy móc có khả năng sản xuất sản phẩm với độ chính xác cao và chi phí hợp lý ngày càng tăng Đề tài này có thể được áp dụng ngay trong lĩnh vực điều khiển cánh tay robot và các loại máy móc yêu cầu độ chính xác cao.
Nguồn nhân lực trong lĩnh vực thiết kế IC chuyên dụng đang trở thành nhu cầu cấp bách của xã hội Tài liệu này sẽ trình bày các bước thực hiện và mô tả chi tiết giải pháp, đồng thời cung cấp một nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên và những người đam mê lập trình thiết kế chip trong quá trình học tập.
Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu các nguyên lý hoạt động của động cơ và bộ điều khiển FPGA là cần thiết để thiết kế hiệu quả bộ điều khiển tốc độ và bộ điều khiển dòng điện.
Mô phỏng toàn bộ các quy trình thiết kế nhằm tìm ra các lỗi để khắc phục
Kết quả mà đề tài mang lại sau khi hoàn thiện
Trong bối cảnh kinh tế thị trường hiện nay, nhu cầu sử dụng máy móc có khả năng sản xuất sản phẩm với độ chính xác cao và chi phí hợp lý ngày càng tăng Đề tài này sẽ có thể được áp dụng ngay trong lĩnh vực điều khiển cánh tay robot và các loại máy móc yêu cầu độ chính xác cao.
Nguồn nhân lực trong lĩnh vực thiết kế IC chuyên dụng đang trở thành nhu cầu cấp bách của xã hội Tác giả đã đề xuất các bước thực hiện và sẽ mô tả chi tiết trong toàn văn giải pháp Tài liệu này có thể được sử dụng để huấn luyện sinh viên và những người đam mê lập trình thiết kế chip, cung cấp một tài liệu tham khảo hữu ích trong quá trình học tập.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ngôn ngữ lập trình VHDL
2.1.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình VHDL
VHDL, viết tắt của Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language, là ngôn ngữ mô phỏng phần cứng dành cho các mạch tích hợp tốc độ rất cao Ngôn ngữ này được phát triển cho chương trình VHSIC của Bộ Quốc phòng Mỹ, nhằm tạo ra một tiêu chuẩn thống nhất cho việc phát triển và thử nghiệm hệ thống số VHDL được nghiên cứu và phát triển bởi ba công ty Intermetrics, IBM và Texas Instruments vào tháng 7 năm 1983, với phiên bản đầu tiên được công bố vào tháng 8 năm 1985 Năm 1987, VHDL đã được tổ chức IEEE công nhận và trở thành tiêu chuẩn IEEE-1076-1987.
VHDL được phát triển nhằm giải quyết những thách thức trong việc phát triển, thay đổi và lập tài liệu cho các hệ thống số Một hệ thống số thường đi kèm với nhiều tài liệu mô tả, và để vận hành, bảo trì, sửa chữa hiệu quả, việc tìm hiểu kỹ lưỡng các tài liệu này là rất cần thiết Sử dụng một ngôn ngữ mô phỏng phần cứng tốt giúp việc xem xét các tài liệu mô tả trở nên dễ dàng hơn, vì chúng có thể được thực thi để mô phỏng hoạt động của hệ thống Điều này cho phép ta xem xét toàn bộ các phần tử của hệ thống trong một mô hình thống nhất.
Trước khi VHDL xuất hiện, nhiều ngôn ngữ mô phỏng phần cứng đã được phát triển để hỗ trợ các bộ mô phỏng Những ngôn ngữ này thường do các nhà cung cấp thiết bị phát triển, nên chúng mang những đặc trưng riêng và thuộc quyền sở hữu của các nhà cung cấp đó.
VHDL là một ngôn ngữ độc lập, không bị ràng buộc bởi bất kỳ phương pháp thiết kế, bộ mô phỏng hay công nghệ phần cứng nào Điều này cho phép các nhà thiết kế tự do lựa chọn công nghệ và phương pháp thiết kế, trong khi vẫn sử dụng một ngôn ngữ duy nhất.
2.1.2Ưu Điểm Của Ngôn Ngữ Lập Trình VHDL
VHDL, được phát triển dưới sự bảo trợ của chính phủ Mỹ, hiện là tiêu chuẩn của IEEE và không thuộc sở hữu của cá nhân hay tổ chức nào Điều này tạo điều kiện cho VHDL nhận được sự hỗ trợ từ nhiều nhà sản xuất thiết bị và các nhà cung cấp công cụ thiết kế mô phỏng hệ thống, góp phần làm cho VHDL ngày càng trở nên phổ biến.
Khả năng hỗ trợ nhiều công nghệ và phương pháp thiết kế:
VHDL cho phép thiết kế mạch điện tử bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm thiết kế từ trên xuống và từ dưới lên, dựa vào các thư viện có sẵn Nó hỗ trợ nhiều công nghệ xây dựng mạch, như công nghệ đồng bộ, không đồng bộ, ma trận lập trình được và mảng logic ngẫu nhiên Nhờ đó, VHDL phục vụ hiệu quả cho nhiều mục đích thiết kế, từ các phần tử phổ biến đến các IC ứng dụng đặc biệt (Application Specified IC), đồng thời độc lập với công nghệ sử dụng.
VHDL hoàn toàn độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng, cho phép mô tả hệ thống ở mức cổng có thể chuyển đổi thành các bản tổng hợp mạch khác nhau tùy thuộc vào công nghệ như CMOS, nMOS hay GaAs Ưu điểm này giúp người thiết kế không cần lo lắng về công nghệ phần cứng khi phát triển hệ thống, đồng thời cho phép áp dụng công nghệ mới vào các hệ thống đã thiết kế một cách dễ dàng.
Khả năng mô tả mở rộng:
VHDL cho phép mô tả hoạt động của phần cứng từ mức hệ thống số đến mức cổng, sử dụng một cú pháp chặt chẽ và thống nhất cho mọi mức Điều này giúp mô phỏng các thiết kế bao gồm cả các hệ con được mô tả ở mức cao và các hệ con được mô tả chi tiết, mang lại sự linh hoạt và hiệu quả trong quá trình phát triển hệ thống.
Khả năng trao đổi kết quả:
VHDL là một tiêu chuẩn được công nhận, cho phép mô hình VHDL chạy trên mọi bộ mô phỏng tuân thủ tiêu chuẩn này Điều này giúp các nhà thiết kế có thể trao đổi kết quả mô tả hệ thống một cách dễ dàng, ngay cả khi họ sử dụng các công cụ thiết kế khác nhau Hơn nữa, các nhóm thiết kế có thể chia sẻ mô tả cấp cao của các hệ thống con trong một hệ thống, trong khi các hệ con đó được thiết kế độc lập.
Khả năng hỗ trợ thiết kế mức lớn và khả năng sử dụng lại các thiết kế:
VHDL là một ngôn ngữ lập trình bậc cao, cho phép thiết kế các hệ thống lớn với sự hợp tác của nhiều người Ngôn ngữ này tích hợp nhiều tính năng hữu ích, hỗ trợ việc quản lý, thử nghiệm và chia sẻ trong quá trình phát triển.
Sau khi đã tìm hiểu một số đặc điểm của ngôn ngữ VHDL, chúng ta sẽ tiếp tục khám phá các khái niệm thiết kế cơ bản trong VHDL.
2.1.3 Cấu trúc một mô hình hệ thống mô tả bằng VHDL: Để tìm hiểu một chương trình VHDL chúng ta cần phải hiểu một số thuật ngữ được sử dụng trong ngôn ngữ lập trình VHDL
Trong thiết kế, thực thể được coi là khối xây dựng cơ bản nhất, với mức cao nhất là mức đỉnh Khi có thứ bậc trong thiết kế, mô tả ở mức cao nhất bao gồm các mô tả ở mức thấp hơn bên trong Các mô tả này tiếp tục chứa các thực thể ở mức thấp hơn Trong ngôn ngữ VHDL, thực thể được sử dụng để khai báo các cổng input_output của các thành phần và tên của chúng.
Kiến trúc là mô tả của tất cả các thực thể có thể được mô phỏng, phản ánh hành vi của chúng Một thực thể đơn lẻ có thể sở hữu nhiều kiến trúc khác nhau, trong đó một kiến trúc có thể tập trung vào mô tả hành vi, trong khi kiến trúc khác lại nhấn mạnh vào cấu trúc.
Cấu hình được sử dụng để liên kết một thể hiện thành phần với một cặp thực thể-kiến trúc, và có thể được xem như một danh sách các thành phần trong thiết kế Danh sách này mô tả hành vi của từng thực thể, tương tự như cách mà các phần mô tả được liệt kê cho mỗi thành phần trong thiết kế.
Giới thiệu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
2.4.1 Giới thiệu chung: Động cơ đồng bộ ba pha ngày nay được sử dụng rộng rãi với giải công suất từ vài trăm W đến hàng MW Nó chiếm vị trí quan trọng trong các hệ truyền động tự động Ở giải công suất lớn và cực lớn thì nó hoàn toàn chiếm ưu thế Tuy nhiên ở giải công suất nhỏ và vừa nó phải cạnh tranh với động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều Ngày nay truyền động động cơ đồng bộ công suất nhỏ càng được chú ý nghiên cứu ứng dụng thay thế động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ Vì động cơ đồng bộ mang tính ưu việt của cả động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ
Khả năng sử dụng rộng rãi động cơ đồng bộ rotor nam châm vĩnh cửu bởi các ưu điểm sau:
- Không có tổn hao rotor nên có hiệu suất cao
- Vì Ψp mạnh nên cho phép giảm dòng không tải
- Đặc tính điều chỉnh ít phụ thuộc sự biến thiên của các thông số động cơ
2.4.2 Nguyên lý cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Động cơ đồng bộ nói chung động cơ động bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng là những máy điện xoay chiều có phần cảm đặt ở rotor và phần ứng là một hệ dây quấn bapha đặt ở stator Với ĐCĐBNCVC thì phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề mặt rotor Các thanh nam châm thường được làm bằng đất hiếm như Samariu – cobalt (SmCO5, SmCO17) hoặc Neodymium-ion-boron (NdFeB) là các nam châm có suất năng lượng cao và tránh được hiệu ứng khử từ, thường được gắn trên bề mặt hoặc bên trong của lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao Khi tốc độ làm việc cao thì khe hở giữa các thanh nam châm có thể đắp bằng vật liệu dẫn từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao như sợi thủy tinh hoặc bắt bulon vít lên các thanh nam châm
Theo kết cấu của động cơ có thể chia ĐCĐBNCVC thành 2 loại: động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi
2.4.2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi
Cấu tạo của động cơ gồm hai phần chính là sattor và rotor
Stator của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bao gồm hai thành phần chính là lõi thép và dây quấn, bên cạnh đó còn có vỏ máy và nắp máy.
Lõi thép stator được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện hai mặt, được phủ lớp sơn cách điện và dập rãnh bên trong, sau đó ghép lại thành hình trụ rỗng Bên trong lõi, các rãnh theo hướng trục được tạo ra để đặt dây quấn Dọc chiều dài của lõi thép stator, cứ 3 – 6 cm lại có một rãnh thông gió ngang trục rộng 10mm Lõi thép này được cố định trong thân máy, thường được chế tạo từ gang đúc, thép tấm hoặc nhôm đúc.
Dây quấn stator thường được làm bằng đồng với tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật, tùy thuộc vào công suất của máy Bề mặt dây quấn được phủ một lớp cách điện và được quấn thành từng bối, lồng vào các rãnh của lõi thép stator Các dây quấn này được đấu nối theo quy luật nhất định, tạo thành các sơ đồ hình sao hoặc tam giác.
Rotor máy điện cực lồi có tốc độ quay thấp, cho phép thiết kế với đường kính lớn và chiều dài ngắn Thường được làm từ đĩa nhôm hoặc nhựa nhẹ nhưng bền, rotor này có nam châm gắn chìm, được sử dụng trong các máy từ trường hướng trục trong kỹ thuật robot.
Hình 2.17:Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi
1– lõi thép stator; 2 – rotor; 3 – nam châm vĩnh cửu
Hình 2.18: Mô hình đơn giản của động cơ đồng bộ ba pha rotor cực lồi
2.4.2.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn
- Stator của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn có cấu tạo tương tự như động cơ cực lồi
Rotor của máy điện cực ẩn được chế tạo từ thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ và gia công phay rãnh để lắp đặt các thanh nam châm Thiết kế này giúp rotor có cấu trúc cơ học bền vững hơn, thường được ứng dụng trong các động cơ cao tốc Với tốc độ hoạt động cao, rotor thường có dạng hình trống để hạn chế lực ly tâm, phù hợp cho sử dụng trong các máy công cụ.
Hình 2.19: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn
1 – lõi thép; 2 – rotor; 3 - nam châm vĩnh cửu
2.4.4 Mô tả toán học ĐCĐBNCVC Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến mức tối đa đối tượng cần điều chỉnh Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh Tuy nhiên mô hình được xây dựng ở đây chủ yếu để phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Để đơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế trong phạm vi sai lệch cho phép ta giả thiết rằng:
- Các cuộn dây của stator được bố trí đối xứng về mặt không gian
- Bỏ qua tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ
- Các giá trị điện trở, điện cảm coi là không đổi
Hệ phương trình cơ bản của ĐCĐB
Với 𝑈 𝑠𝑎 𝑡 , 𝑈 𝑠𝑏 𝑡 , 𝑈 𝑠𝑐 𝑡 : Điện áp trên 3 dây stator
𝑖 𝑠𝑎 𝑡 , 𝑖 𝑠𝑏 𝑡 , 𝑖 𝑠𝑐 𝑡 : Dòng điện trên 3 dây stator
𝛹 𝑠𝑎 𝑡 , 𝛹 𝑠𝑏 𝑡 , 𝛹 𝑠𝑐 𝑡 : Từ thông móc vòng của 3 cuộn dây stator
Rs: Điện trở dây quấn stator
Ta có thể biểu diễn phương trình điện áp stator dưới dạng vector như sau:
3 𝛹 𝑠𝑎 𝑡 + 𝛹 𝑠𝑏 𝑡 𝑒 𝑗 120 0 + 𝛹 𝑠𝑐 𝑡 𝑒 𝑗 240 0 là vector từ thông stator(2.31) Chỉ số ”s” chỉ hệ quy chiếu stator
Nếu quan sát trên hệ tọa độ rotor (d-q) có trục d trùng với trục từ thông vĩnh cửu thì (3.2.3) trở thành:
Chỉ số ”f” chỉ hệ quy chiếu rotor
Vector từ thông stator 𝛹 𝑠 𝑓 bao gồm hai thành phần chính: một thành phần xuất phát từ dòng stator tự cảm ứng trong các cuộn dây stator và một thành phần khác do từ thông rotor cảm ứng sang.
Vector từ thông rotor 𝛹 𝑝 𝑓 chỉ có thành phần thực 𝛹 𝑝 do trục thực d đi qua trục của chính vector 𝛹 𝑝 𝑓 :
Phương trình chuyển động của động cơ đồng bộ có dạng:
𝑃 𝑐 : Số đôi cực ω : Tốc độ của động cơ
Bộ lọc Kalman
Bộ lọc Kalman là một thuật toán tối ưu giúp ước lượng trạng thái của các quá trình, đặc biệt là trong động cơ PMSM Thuật toán này sử dụng phương pháp tính toán đệ quy để ước lượng chính xác giá trị của các phép đo, bao gồm đầu vào như điện áp stator, đầu ra như dòng điện stator, và các biến ẩn như tốc độ và góc từ thông rotor Do PMSM là động cơ phi tuyến, bộ lọc Kalman mở rộng được xem là giải pháp tối ưu cho việc ước lượng trạng thái của nó Phương trình toán học phi tuyến ngẫu nhiên của PMSM có thể được biểu diễn một cách chính xác để phục vụ cho quá trình này.
Trong hệ thống điều khiển, x(t), u(t), y(t) đại diện cho trạng thái, đầu vào và đầu ra riêng biệt, trong khi 𝜎(𝑡) và 𝜇(𝑡) là nhiễu quá trình và nhiễu đo lường tương ứng với hiệp phương sai Q(t) và R(t) Ma trận hàm chuyển vị phi tuyến 𝑓 𝑥(𝑡) và ma trận hàm đo lường phi tuyến ℎ 𝑥(𝑡) thay đổi theo thời gian Bộ lọc Kalman mở rộng thực hiện tuyến tính hóa mô hình trạng thái của phương trình tại thời điểm tức thời xung quanh giá trị ước lượng hiện tại, tùy thuộc vào hàm được xem xét Khi mô hình tuyến tính được xác định, phương trình chuẩn của bộ lọc Kalman sẽ được áp dụng.
Phương trình truyến tính đảo như sau:
Ma trận Jacobian được xác định như sau:
Với thời gian lấy mẫu Tcthì (2.38) trở thành
Với Φ(𝑡 𝑛 , 𝑡 𝑛−1 , 𝑥 𝑡 𝑛−1 ) là ma trận hàm số mũ nó có thể được tính đơn giản như sau: Φ(𝑡 𝑛 , 𝑡 𝑛−1 , 𝑥 𝑡 𝑛 −1 ) ≅ 𝐼 + 𝐹𝑇 𝑐 (2.42) Hơn nữa, Φ 𝑡 𝑛 , 𝑡 𝑛−1 , 𝑥 𝑡 𝑛−1 𝐵𝑑𝜏 ≅ 𝐵𝑇 𝑐
Do đó mô hình rời rạc của (2.38 và 2.39) trở thành:
Bộ lọc Kalman mở rộng là ước lượng tối ưu với hàm dò tìm = 𝑚 𝑛−1 𝐸 𝑥 2 (𝑛) Với 𝑥 𝑛 là độ lệch ước lượng của trạng thái 𝑥 𝑛 với 𝑥(𝑛) bởi
𝑥 𝑛 = 𝑥 (𝑛) − 𝑥(𝑛) Thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng được mô tả qua hai bước phương trình đệ quy dưới đây:
Từ (2.36) và sử dụng tích phân vuông đơn giản
𝑥 𝑛⎸𝑛−1 = 𝑥 𝑛−1 + (𝑓 𝑥 𝑛−1 + 𝐵 ∙ 𝑢 𝑛−1 )𝑇 𝑐 (2.46) Hiệp phương sai đươc cập nhật bởi
Bước 2: (bước đổi mới, hay còn gọi bước đo lường, bước cập nhật)
Hệ số Kalman được tính bởi:
Công thức 𝐾 𝑛 = 𝑃 𝑛⎸𝑛−1 𝐻 𝑇 𝐻𝑃 𝑛⎸𝑛−1 𝐻 𝑇 + 𝑅 −1 (2.50) mô tả quy trình tính toán trong bộ lọc Kalman mở rộng Hình 2.21 minh họa trình tự hoạt động của bộ lọc này, cho thấy rằng sau khi cập nhật đo lường, bộ lọc sẽ điều chỉnh để cập nhật theo thời gian.
Hình 2.21: Tổng hợp phép toán của bộ lọc Kalman
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Thiết kế phần điều khiển dòng điện: [1, 4, 10]
Phần điều khiển dòng điện gồm các khối biến đổi Clark, Park, Park -1 , Clark -1 , SVPWM và bộ điều khiển PI
Hình 3.1: Sơ đồ khối của khối điều khiển dòng điện
Dòng điện 3 pha (ia, ib, ic) đo được từ động cơ phản hồi về bộ biến đổi Clark
Hình 3.2: Dòng điện được biến đổi thông qua phép biến đổi Clark
Ngõ ra của phép biến đổi Clark (i ,i ) và tín hiệu EMF (góc address nhận được từ khối Kalman) được kết nối đến ngõ vào của phép biến đổi Park
Hình 3.3: Dòng điện được biến đổi thông qua phép biến đổi Park
Tín hiệu ngõ ra từ phép biến đổi Park được kết nối với bộ điều khiển PI nhằm duy trì dòng điều khiển id=0, giúp moment trên trục động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điều khiển iq Sau khi bổ sung tín hiệu điều khiển cho dòng id và iq, tín hiệu này sẽ được biến đổi ngược về dòng ba pha để cung cấp cho động cơ.
3 pha lúc này gọi là dòng 3 pha có điều khiển
Hình 3.4: Dòng điện được biến đổi thông qua phép biến đổi inverse park
Hình 3.5: Dòng điện được biến đổi thông qua phép biến đổi Inverse clark
Để hoàn tất phần điều khiển dòng điện, cần thực hiện tổng cộng 24 bước Thời gian xung clock ngõ vào cho phần điều khiển này là 40ns, do đó tổng thời gian hoàn tất phần tính toán là 24 x 40ns, tương đương 960ns hay 0.96us.
Thiết kế bộ lọc Kalman
Từ phương trình lực điện động :
Bài viết này trình bày thông tin về vị trí góc rotor và vận tốc góc của từ thông, có thể được thay thế bằng dòng điện và áp dụng trong các hệ thống trạng thái của bộ lọc Kalman mở rộng Đầu tiên, chúng ta cần xác định lại hệ thống đầu vào và đầu ra trong mô hình PMSM một cách tuần tự.
Giả sử tốc độ góc rotor của mô hình PMSM là không đổi trong mỗi kỳ lấy mẫu, ta có thể xác định chính xác phương trình trạng thái của mô hình ngẫu nhiên này từ (2.46).
So sánh với các hệ thống mới (3.4 ~ 3.4), các ma trận Jacobian và ma trận hàm mũ đơn giản trong (2.40) và (2.42) có thể được mô tả như sau:
Tại ∅ 12 = −𝜔 𝑒 𝑇 𝑐 , ∅ 21 = 𝜔 𝑒 𝑇 𝑐 , ∅ 13 = −𝑧 𝛽 𝑇 𝑐 , ∅ 23 = 𝑧 𝛼 𝑇 𝑐, mô hình PMSM ngẫu nhiên trong (3.3 ~ 3.4) không có tín hiệu đầu vào, dẫn đến việc trạng thái của zα và zβ (eα và eβ) không thể quan sát trực tiếp Do đó, thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng không thể áp dụng trong trường hợp này Tuy nhiên, eα và eβ có thể được tính toán gián tiếp.
Mô hình độc lập của PMSM có thể được xây dựng bằng
Phương trình (3.9) với iα(n+1) và iβ(n+1) không thể đo ngay tại thời điểm lấy mẫu n Để khắc phục vấn đề này, giả sử dòng điện là không đổi tại mỗi thời kỳ lấy mẫu, từ đó phương trình (3.74) có thể được rút gọn.
𝑣 𝛽 (𝑛) (3.10) hoặc được biểu diễn dưới dạng vô hướng
Thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng, như được trình bày trong hình 2.21, có khả năng ước tính giá trị trạng thái dựa trên các thông số đầu vào Qd và R, với a2 được xác định bởi công thức a2=Tc/Ls và a1=-rsa2.
P0 cần được lựa chọn Thông qua việc tính toán đệ quy, giá trị trạng thái của
𝑥 (𝑛) = [𝑧 ̂_𝛼 (𝑛), 𝑧 ̂_𝛽 (𝑛), 𝜔 ̂_𝑒 (𝑛)] 𝑇 được ước lượng tại mỗi thời kỳ lấy mẫu, sau đó tốc độ góc rotor và vị trí rotor có thể được tính độc lập như sau:
Bài viết này tóm tắt quá trình ước lượng vị trí và tốc độ rotor bằng cách sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng, với các bước thiết kế được thực hiện một cách có hệ thống.
Bước 1: Đặt các giá trị ban đầu của Qd, R, P0 và n = 1
Bước 2: Đo các giá trị của iα(n), iβ(n), vα(n), vβ(n), từ hệ thống PMSM
Bước 4: Ước tính các biến trạng thái tạm thời từ (2.46).Ngoài ra, sử dụng (3.3~3.4),dạng vô hướng của phương trình dự đoán được thể hiện như sau:
Bước 5: Chúng ta thu được các ma trận hiệp phương sai tạm thời Pn|n-1 từ các công thức (2.47) và (3.7) Do ma trận Pn|n-1 là ma trận đối xứng với Pij = Pji, nên nó có thể được chọn theo dạng phù hợp.
Bước 6: Tính hệ số Kalman thu được từ (2.50) Từ (3.7) và (3.18)ta có thể trình bày rõ ràng ngắn gọn như sau:
Hệ số Kalman thu được là:
𝑡 21 𝑡 22 (3.22) Bước 7: Thay Kn điều chỉnh các biến trạng thái hiện tại từ (2.48) ta có dạng vô hướng như sau:
𝑧̂ 𝛼 (𝑛) = 𝑧 𝛼 (𝑛) − 𝑧̂ 𝛼 (𝑛⎸𝑛 − 1) (3.26) 𝑧̂ 𝛽 (𝑛) = 𝑧 𝛼 (𝑛) − 𝑧̂ 𝛽 (𝑛⎸𝑛 − 1) (3.27) Tại kij là yếu tố để Kalman thu được Kn
Bước 8: Cập nhật ma trận hiệp phương sai hiện tại Pn từ (2.49)
Bước 9: Tính tốc độ góc rotor và vị trí thông lượng Rotor từ (3.13 và 3.14); sau đó đặt n=n+1 và trở lại bước 2
Hình 3.7:Tính toán thiết kế của giảm bậc bộ lọc Kalman mở rộng
Ma trận ỉn|n-1 nhõn với Pn|n-1
Nhõn với ỉn|n-1 Cộng với Q
Hình 3.8: Dự đoán ma trận hiệp phương sai trong giảm bậc bộ lọc Kalman mở rộng
Bài viết mô tả quy trình giảm bậc bộ lọc Kalman mở rộng với 80 bước thao tác máy Các bước từ 𝑠 0 đến 𝑠 8 thực hiện tính toán tín hiệu đầu ra, ma trận Jacobian và dự đoán các biến trạng thái Tiếp theo, các bước từ 𝑠 9 đến 𝑠 33 tập trung vào việc tính toán ma trận hiệp phương sai tạm thời Bước 𝑠 34 đến 𝑠 35 xác định sai số trạng thái, trong khi các bước từ 𝑠 36 đến 𝑠 68 cập nhật ma trận hiệp phương sai Pn và tính toán ma trận Kn.
Trong quá trình chuyển trạng thái từ 𝑠 69 đến 𝑠 75 và thực hiện ước lượng tốc độ rotor từ 𝑠 76 đến 𝑠 80, mỗi bước thao tác trên FPGA mất 80ns (12.5MHz), dẫn đến tổng thời gian tính toán cho 80 bước chỉ là 6.4μs Hình 3.8 minh họa việc dự đoán ma trận hiệp phương sai, trong khi hình 3.9 trình bày cách tính hệ số K và cập nhật ma trận P.
Hình 3.9: Tính toán hệ số K và cập nhật ma trận P trong giảm bậc bộ lọc Kalman mở rộng
Thiết kế khối điều chế độ rộng xung không gian (SVPWM): [4, 5, 11, 14]50
Kỹ thuật SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) là một phương pháp điều khiển phổ biến trong lĩnh vực điện tử công suất, nhằm tạo ra sự dịch chuyển liên tục của vector không gian tương đương của điện áp bộ nghịch lưu trên quỹ đạo đường tròn Phương pháp này giúp loại bỏ các sóng hài bậc cao và đảm bảo mối quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu điều khiển và biên độ điện áp đầu ra Trong nghiên cứu này, SVPWM được áp dụng để tạo ra các vector, phục vụ cho việc điều khiển đóng cắt bộ nghịch lưu sử dụng thiết bị điện tử công suất IGBT.
Để ngăn ngừa hiện tượng ngắn mạch trong hệ thống SVPWM, các chân a, b, c và a’, b’, c’ của khối nghịch lưu cần được kết nối đúng cách Khi các khóa công suất S1, S3, S4 được kích hoạt, các khóa S4, S6, S2 phải ngắt đồng thời, đồng thời cần có sự phối hợp trì hoãn thời gian giữa việc đóng và mở hai khóa trên cùng một pha Phần mềm, thông qua khối deadband, đã thực hiện chức năng này để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả.
Hình 3.11: Trạng thái đóng cắt của các khóa điện tử công suất tạo ra tám vector điện áp để điều khiển động cơ PMSM
Bảng 1 trình bày các giá trị của tám vector điện áp tương ứng với trạng thái đóng cắt của các khóa điện tử công suất, được sử dụng tại ngõ vào cung cấp điện cho động cơ Các vector này đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và quản lý hiệu suất của động cơ.
Trạng thái đóng cắt Điện áp pha Điện áp dây a b c Van Vbn Vcn Vab Vbc Vca
Từ các giá trị trong bảng trên ta thiết lập được phương trình điện áp cung cấp cho động cơ:
Trong đó a, b, c là vector đóng cắt của khóa điện tử công suất IGBT
Hình 3.12: Các vector điện áp tạo ra tại các đỉnh của hình lục giác
Biến đổi qua hệ trục tọa độ d, q:
Từ đó ta có thể tính toán được thời gian tồn tại của các vector điện áp
Hình 3.13: Tính điện áp ngõ ra tại các vị trí
Hình 3.14: Các giá trị so sánh và dạng sóng của PWM ở ngõ ra trong mỗi góc một phần sáu của hình lục giác
Các bước thực hiện SVPWM bằng VHDL:
(1) Từ các giá trị Vref1, Vref2, Vref3 xác định các khoảng ứng với từng góc một phần sáu của hình lục giác
Hình 3.15: Giá trị điện áp cung cấp cho bộ SVPWM
(2) Tính toán giá trị Tx, Ty, Tz công thức số (5.4)
Bảng 2: Giá trị của T1 và T2 tại các góc phần 6 của hình lục giác
T1 Tz Ty - Tz - Tx Tx -Ty
T2 Ty -Tx Tx Tz -Ty - Tz
(4) Xác định Taon, Tbon, Tcon
Xác định các giá trị so sánh CMPR1, CMPR2, CMPR3 trong bảng số 3 tại mỗi góc một phần sáu của hình lục giác để phát tín hiệu PWM ở ngõ ra.
Bảng 3: Giá trị so sánh của PWM tại mỗi góc phần 6 của hình lục giác
CMPR1 Ta Tb Tc Tc Tb Ta
CMPR2 Tb Ta Ta Tb Tc Tc
CMPR3 Tc Tc Tb Ta Ta Tb
Hình 3.16: Sơ đồ khối của bộ điều chế độ rộng xung vector không gian
Thuật toán khối SVPWM thực hiện 5 bước bằng mã VHDL, trong đó khối tạo sóng tam giác đối xứng cung cấp dạng sóng cho bộ so sánh Bộ so sánh có nhiệm vụ so sánh tín hiệu từ đầu ra của thuật toán SVPWM với xung tam giác đều, từ đó xuất tín hiệu điều khiển PWM Tín hiệu PWM này được chuyển đến sáu khóa điện tử công suất IGBT và sau đó được đưa vào bộ tạo tín hiệu chênh lệch thời gian đóng ngắt giữa hai khóa điện tử cùng pha (đơn vị deadband) để ngăn ngừa tình trạng ngắn mạch trong hệ thống.
Thiết kế bộ điều khiển PI
Bộ điều khiển PI ngày nay được sử dụng rộng rãi trong các quá trình công nghiệp nhờ vào khả năng điều khiển hiệu quả, cấu trúc đơn giản và phạm vi ứng dụng đa dạng.
Nhiệm vụ của người thiết kế bộ điều khiển PI là chọn lựa bộ giá trị {Kp,
Ki}thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng điều khiển
Hình 3.17: Cấu trúc bộ điều khiển PI
Hình 3.18: Thực thi bộ điều khiển PI
Chương4 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Mô phỏng: [2, 11, 13, 14]
Để kiểm tra độ chính xác của tín hiệu ngõ ra từ khối SVPWM, hệ thống được tách ra chỉ bao gồm các khối SVPWM, Clark -1, Park -1 và hàm tính sine, cosin Giá trị ngõ vào bao gồm iq và id, trong đó id được đặt bằng không và iq là giá trị điều khiển Góc quay của rotor được thay thế bằng một bộ phát xung tam giác với thời gian trì hoãn gần đáp ứng được góc quay của động cơ.
Hình 4.1: Sơ đồ khối để kiểm tra độ chính xác của SVPWM
Hình 4.2: Khối kiểm tra SVPWM được thiết kế trên Simulink/Matlab
Hình 4.3: Dạng sóng ngõ ra của khối điều chế độ rộng xung vector không gian sau khi qua bộ lọc thông thấp – mạch RC (lấy ra từ Scope PWM1)
Hình 4.4: Dạng sóng ngõ ra của khối điều chế độ rộng xung vector không gian sau khi qua hàm truyền (lấy ra từ Scope PWM2)
Hình 4.5: Dạng sóng răng cưa mô phỏng góc quay của động cơ (lấy từ scope address)
Dạng sóng ngõ ra của khối điều chế độ rộng xung vector không gian sau khi trải qua bộ lọc thông thấp mạch RC và hàm truyền cho kết quả tương tự nhau.
Sau khi kiểm tra độ chính xác của dạng sóng SVPWM, ngõ ra SVPWM được kết nối đến bộ nghịch lưu IGBT để cung cấp năng lượng cho động cơ Góc quay của động cơ sẽ được phản hồi, thay thế cho bộ phát xung răng cưa ở bước trước Mục đích của bước này là xác minh độ chính xác của SVPWM khi áp dụng cho động cơ thực tế.
Hình 4.6: Sơ đồ khối kiểm tra độ chính xác của SVPWM có hồi tiếp góc quay của
Hình 4.7: Mô hình kiểm tra SVPWM khi đối tượng điều khiển là động cơ trên
Hình 4.8:Tốc độ động cơ (lấy từ rotor speed)
Hình 4.9: Lực moment trên trục của động cơ (lấy từ rotor torque)
Hình 4.10:Dòng điện ba pha của động cơ (lấy từ three phase stator current) Nhận xét:
- Tốc độ được đáp ứng đúng theo yêu cầu, khi giảm giá trị đặt đầu vào tốc độ cũng giảm theo
- Moment khi thay đổi tốc độ từ trạng thái này qua trạng thái khác thì moment cũng thay đổi theo
Bước 3: Bước tiếp theo, tốc độ của động cơ được hồi tiếp về bộ điều khiển tốc độ
Bộ điều khiển tốc độ được thiết kế bằng bộ điều khiển PI nhằm kiểm tra độ chính xác của một bộ điều khiển đơn giản với vòng hồi tiếp tốc độ của động cơ Giá trị tốc độ được thiết lập từ Simulink/Matlab để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Hình 4.12: Mô hình kiểm tra trên Simulink/Matlab với một vòng hồi tiếp tốc độ động cơ
Hình 4.13: Tốc độ động cơ (lấy từ rotor speed)
Hình 4.14: Lực moment trên trục của động cơ (lấy từ torque)
Hình 4.15: Dòng điện ba pha của động cơ (lấy từ stator current)
Hình 4.16: Tín hiệu điều khiển ở ngõ ra của bộ điều khiển tốc độ (lấy từ speed out)
Khi thay đổi tốc độ, giá trị ước lượng vẫn đáp ứng được yêu cầu Tuy nhiên, khi tốc độ giảm từ cao xuống thấp, vẫn xảy ra hiện tượng vọt lố không đạt tiêu chuẩn.
- Mỗi lần thay đổi tốc độ moment thay đổi theo để rotor quay đúng theo tốc độ yêu cầu
Bước 4 trong quy trình kiểm tra bao gồm việc hồi tiếp cả dòng điện và tốc độ của động cơ về bộ điều khiển Cụ thể, tốc độ động cơ sẽ được gửi về bộ điều khiển tốc độ, trong khi dòng ba pha của động cơ sẽ được hồi tiếp về bộ điều khiển dòng điện.
Hình 4.17: Sơ đồ khối của bộ điều khiển hoàn chỉnh
Hình 4.18: Mô hình mô phỏng bộ điều khiển có hai vòng hồi tiếp
Hình 4.19: Tốc độ động cơ (lấy từ rotor speed)
Hình 4.20: Lực moment trên trục của động cơ (lấy từ torque)
Hình 4.21: Góc quay của động cơ (lấy từ address)
Hình 4.22: Dòng điện ba pha của động cơ (lấy từ stator current)
Hình 4.23: Tín hiệu điều khiển ở ngõ ra của bộ điều khiển tốc độ (lấy từ speed out) Nhận xét:
- Khi thay đổi tốc độ thì giá trị ước lượng vẫn bám được theo yêu cầu
- Mỗi lần thay đổi tốc độ moment thay đổi theo để rotor quay đúng theo tốc độ yêu cầu
Bước 5: Bước số 5 tiến hành kiểm tra độ chính xác của thuật toán Kalman
Sau khi xác nhận hiệu quả dự đoán trong kiểm soát tốc độ cảm biến, chúng tôi tiếp tục mô phỏng trong mô hình điều khiển không cảm biến Các vị trí ước tính từ thông rotor sẽ được đưa trở lại cho các vòng lặp hiện tại để điều khiển vector và các vòng điều khiển tốc độ.
Mô hình Simulink / ModelSim mô phỏng hệ thống điều khiển không cảm biến được thực hiện với bộ lọc Kalman mở rộng giảm bậc Trong quá trình thử nghiệm, bước đáp ứng được kiểm tra với các tốc độ động cơ khác nhau từ 0rpm đến 2000rpm Kết quả thể hiện tốc độ rotor thực tế, ước tính tốc độ rotor phản hồi và đáp ứng điều khiển dòng điện, như được trình bày trong hình 4.25.
Hình 4.25: Điều khiển tốc độ rotor thực tế và ước tính tốc độ rotor cho động cơ không cảm biến bằng cách giảm bậc bộ lọc Kalman mở rộng
Hình 4.26: Đáp ứng rotor tại tốc độ 500rpm và 1500rpm khi sử dụng giảm bậc bộ lọc Kalman mở rộng
Tốc độ thực tế của rotor và tốc độ ước lượng có sự tương đồng cao Mặc dù ở tốc độ thấp vẫn tồn tại một số sai số, nhưng khi đạt tốc độ cao, sai số này gần như không còn.
- Góc quay rotor thực tế và góc quay ước lượng ở mỗi tốc độ khác nhau gần như trùng khớp.
