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

MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ......................................................................................... viii
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... x
CẢM ƠN .................................................................................................................. xi
TÓM TẮT ............................................................................................................... xii
ABSTRACT ........................................................................................................... xiii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC ........................................................ xvii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ xx
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................... xxi
DANH SÁCH CÁC HÌNH ................................................................................... xxii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ...................................................................................... 1
1.1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 1
1.2. Tình hình nghiên cứu đề tài ........................................................................ 3
1.2.1. Trong nước ........................................................................................ 3
1.2.2. Ngoài nước ......................................................................................... 3
1.3. Mục tiêu đề tài ............................................................................................. 5
1.4. Cách tiếp cận ............................................................................................... 5
1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................... 6
1.5.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 6
1.5.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 6
1.6. Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 6
1.7. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 6
1.8. Kết quả dự kiến đạt được ........................................................................... 6
1.9. Bố cục luận văn............................................................................................ 6
xiv


CHƯƠNG 2 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU ....................................................................... 8
2.1. Động cơ điện không đồng bộ ba pha .......................................................... 8
2.1.1. Nguyên lý hoạt động.......................................................................... 8
2.1.2. Điều khiển tốc độ động cơ ............................................................... 11

2.2. Bộ nghịch lưu áp ba pha ........................................................................... 12
2.2.1. Nguyên lí hoạt động......................................................................... 12
2.2.2. Nghịch lưu điện áp bằng phương pháp SPWM ............................. 14
2.2.3. Thiết lập sóng mang ........................................................................ 15
2.2.4. Thiết lập sóng điều chế .................................................................... 17
2.3. Tính tốn các tham số cho mạch điều khiển ............................................ 18
2.3.1. Mạch dẫn động khóa cơng suất (bootstrap) ................................... 19
2.3.2. Bộ lọc đầu ra .................................................................................... 23
2.3.3. Tính tốn điện trở hồi tiếp dịng ..................................................... 24
2.3.4. Cảm biến tốc độ động cơ ................................................................. 26
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................................... 31
3.1. Thiết kế mạch điều khiển .......................................................................... 31
3.2. Thiết kế mạch bảo vệ quá dòng ................................................................ 36
3.3. Phương pháp điều khiển động cơ ............................................................. 38
3.3.1. Phương pháp điều khiển vòng lặp hở ............................................. 39
3.3.2. Phương pháp điều khiển vịng lặp kín ............................................ 41
CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ...................................................... 45
4.1. Tổng quan thực nghiệm ............................................................................ 45
4.2. Mục tiêu thực nghiệm ............................................................................... 45
4.3. Bố trí và lắp đặt thí nghiệm ...................................................................... 45
4.3.1. Lắp đặt trên hệ thống băng thử ...................................................... 46

xv


4.3.2. Lắp đặt trên mơ hình xe hai bánh .................................................. 51
4.4. Kết quả thực nghiệm trên mơ hình băng thử động cơ ............................. 53
4.5. Kết quả thực nghiệm trên mô hình xe hai bánh ...................................... 61
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 69
5.1. Kết luận...................................................................................................... 69

5.2. Kiến nghị.................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 71
NỘI DUNG BÀI BÁO ............................................................................................ 75

xvi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC

Ns

:

Tốc độ vòng quay của stator

Nr

:

Tốc độ vòng quay của rotor

s

:

độ trượt giữa stator và rotor

p

:

Số cực của stator

V

:

Điện áp của pin

T

:

Momen

f

:

tần số của động cơ

fb

:

Tần số tại vùng boost áp của động cơ

frated

:

Tần số cơ bản của động cơ

fcarrier :

Tần số sóng mang

fosc

Tần số xung nhịp của thạch anh

:

foutput :

Tần số đầu ra của mạch điều khiển

Nelements:

Số lượng phần tử trong bảng tra cứu

VAV

:

Điện áp trung bình

VRMS :

Điện áp hiệu dụng

VP

Điện áp đỉnh

:

Vbs :

Điện áp rơi tối thiểu trên tụ

Q

Điện tích của tụ

:

xvii


Qg

:

Điện tích khóa bán dẫn high-side

Qls

:

Năng lượng chuyển mức mỗi chu kỳ

Qqbs

:

Điện tích để mở khóa bán dẫn high-side

RFW

:

Điện trở cổng forward HO và LO

RHS

:

Điện trở nội highside của mạch dẫn động khóa cơng suất

RLS

:

Điện trở nội lowside của mạch dẫn động khóa cơng suất

Ig

:

Cường độ dịng điện phóng ra từ tụ

RBW

:

Điện trở cổng backward HO và LO

VGE(th) :

Điện áp ngưỡng G-E

CCG

:

Tụ điện ở cực C-G

VCE

:

Điện áp ở cực C-E

TON

:

Thời gian mở cổng

QGE

:

Điện tích cổng G-E

QGC

:

Điện tích cổng G-C

Vf

:

Điện tích của diode fast covery

fc

:

Tần số cắt của bộ lọc

Qquality :

Hệ số chất lượng của bộ lọc

fsw

:

Tần số chuyển mạch

RL

:

Điện trở tải

Prated :

Công suất định mức

xviii


VADC :

Điện áp ADC

Rs

:

Điện trở shunt

r

:

Bán kính bánh xe

N

:

Tỉ số truyền nhơng xích

Vxe

:

Tốc độ xe

Nbanhxe :

Tốc độ quay của bánh xe

Ndongco :

Tốc độ quay của động cơ

 banhxe :

Tốc độ góc của bánh xe

Nmotor :

Tốc độ động cơ

Ncycle :

Số lần reset của chu kỳ

RPM :

Vịng/phút

TH

Tuổi thọ trung bình của mạch điện

:

xix


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PWM :

Xung điều chế

VFD :

Bộ biến tần

BMS :

Mạch quản lý pin

EV

Xe điện

:

DTC :

điều khiển momen xoắn trực tiếp

SPWM:

Xung điều chế hình sine

IGBT :

linh kiện bán dẫn cưỡng bức

CTC :

chế độ so sánh của bộ Timer

RPM :

vòng/phút

PCB :

mạch in

HO

:

đầu ra mức cao

LO

:

đầu ra mức thấp

xx


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Thông số cơ bản của IGBT IHW20N120R2 .......................................... 31
Bảng 3.2: Thông số cơ bản của mạch dẫn động khóa cơng suất IR2103 ................ 32
Bảng 3.3: Thông số thiết kế kỹ thuật của mạch điều khiển .................................... 36
Bảng 4.1: Thông số cấu tạo của động cơ 0,3kW .................................................... 46
Bảng 4.2: Thơng số đặc tính cơ bản của động cơ 1,5kW ....................................... 51
Bảng 4.3: Kết quả thống kê đường đặc tính momen-tốc độ ................................... 56

xxi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Phân bố dịng và sức từ động trong dây quấn ba pha .................................. 9

Hình 2.2: Từ trường quay ba pha ............................................................................... 9
Hình 2.3: Sự thay đổi giữa điện áp và tần số ............................................................ 12
Hình 2.4: Sơ đồ bộ nghịch lưu cơ bản ...................................................................... 13
Hình 2.5: Sơ đồ mạch tương đương của IGBT ......................................................... 14
Hình 2.6: So sánh tín hiệu sóng mang và sóng điều chế ........................................... 15
Hình 2.7: Mơ tả chức năng của thanh ghi TCNT0 .................................................... 16
Hình 2.8: Sự tương đồng giữa điện áp một chiều và điện áp xoay chiều................... 18
Hình 2.9: Sơ đồ tổng quát mạch điều khiển động cơ ................................................ 19
Hình 2.10: Mạch dẫn động khóa cơng suất của một cặp khóa bán dẫn (kênh đơn) ... 20
Hình 2.11: Q trình phóng tụ điều khiển khóa bán dẫn phía cao ............................. 21
Hình 2.12: Bố trí điện trở shunt ................................................................................ 25
Hình 2.13: Cảm biến tốc độ động cơ ........................................................................ 26
Hình 2.14: Bố trí cảm biến trên xe ........................................................................... 26
Hình 2.15: Cảm biến tiệm cận với nhơng động cơ .................................................... 27
Hình 2.16: Ngun lý hoạt động của chế độ Input Capture ...................................... 29
Hình 3.1: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ ................................................................ 33
Hình 3.2: Sơ đồ mạch in PCB .................................................................................. 35
Hình 3.3: Mạch điều khiển động cơ ......................................................................... 35
Hình 3.4: Sơ đồ mạch in PCB .................................................................................. 36
Hình 3.5: Mạch in PCB của mạch bảo vệ ................................................................. 37
Hình 3.6: Mạch bảo vệ thực tế ................................................................................. 37
Hình 3.7: Giản đồ thời gian của vi điều khiển .......................................................... 38
Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống phương pháp điều khiển vịng hở ..................................... 39
Hình 3.9: Lưu đồ thuật tốn phương pháp điều khiển hở .......................................... 40
Hình 3.10: Sơ đồ hệ thống phương pháp điều khiển vịng kín .................................. 41
Hình 3.11: Lưu đồ thuật tốn phương pháp điều khiển kín ....................................... 42
Hình 3.12: Mối liên hệ giữa momen và tốc độ ở các dải tần số khác nhau [22] ........ 43
Hình 4.1: Động cơ ba pha 0,3kW ............................................................................. 46
xxii

Hình 4.2: Băng thử cơng suất ................................................................................... 47
Hình 4.3: Thiết bị đọc tín hiệu tốc độ động cơ.......................................................... 47
Hình 4.4: Mơ hình tổng qt hệ thống động cơ-băng thử ......................................... 48
Hình 4.5: Máy đo xung Tektronix ............................................................................ 48
Hình 4.6: Máy đo nhiệt Hikvision ............................................................................ 49
Hình 4.7: Phần mềm tính tốn bảng tra cứu.............................................................. 50
Hình 4.8: Mơ hình xe máy điện hai bánh.................................................................. 51
Hình 4.9: Bộ truyền nhơng xích ............................................................................... 52
Hình 4.10: Sơ đồ phân bố động lực điện .................................................................. 52
Hình 4.11: Dạng sóng của tín hiệu điều khiển .......................................................... 54
Hình 4.12: Dạng sóng của tín hiệu HO và LO .......................................................... 54
Hình 4.13: Dạng sóng điện áp đầu ra ở mức tần số cơ bản ....................................... 55
Hình 4.14: Dạng sóng thực nghiệm của tín hiệu dịng điện phản hồi 1,1A................ 55
Hình 4.15: Đồ thị thực nghiệm đặc tính momen-tốc độ động cơ 0,3kW ................... 57
Hình 4.16: Đồ thị thực nghiệm cường độ dòng điện khởi động trực tiếp tại 50Hz .... 58
Hình 4.17: Đồ thị thực nghiệm cường độ dịng điện khởi động mềm tại 50Hz ......... 59
Hình 4.18: Đồ thị thực nghiệm tốc độ có hồi tiếp ..................................................... 60
Hình 4.19: Phân bố nhiệt độ trên mạch .................................................................... 61
Hình 4.20: Đường tốc độ thực nghiệm ở điều kiện không tải ................................... 62
Hình 4.21: Đường tốc độ thực nghiệm ở điều kiện tải 1Nm ..................................... 63
Hình 4.22: Đường tốc độ thực nghiệm điều khiển kín .............................................. 65
Hình 4.23: Nhiệt độ mạch điều khiển trong quá trình hoạt động............................... 66

xxiii


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1.

Lý do chọn đề tài

Hiện nay, xe điện đang là xu hướng phát triển của hầu hết các quốc gia trên thế giới.
Ở riêng Việt Nam, các dự án xe điện đang được triển khai nghiên cứu phát triển ở các
phịng thí nghiệm cũng như các cơng ty cơng nghệ. Vì vậy, tác giả chọn hướng nghiên
cứu về xe điện với 4 lý do quan trọng.
Lý do thứ nhất là tình trạng ơ nhiễm mơi trường, một trong những nguyên nhân
hàng đầu thúc đẩy quá trình chuyển đổi thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống
thành nhiên liệu sạch khơng gây hại cho mơi trường. Trước tình trạng ô nhiễm môi
trường ngày càng gia tăng, nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang khuyến khích
người dân sử dụng các phương tiện thân thiện với môi trường [1-2] và Việt Nam chắc
chắn khơng nằm ngồi xu hướng chung của thế giới. Hiện nay, tình trạng ơ nhiễm
khơng khí của Việt Nam đang vượt quá mức cho phép, trực tiếp ảnh hưởng xấu đến
sức khỏe con người mà một trong những nguyên nhân chính là do khí thải từ các
phương tiện giao thơng [3]. Chính vì vậy, việc thay thế các loại nhiên liệu hóa thạch
truyền thống như xăng, diesel bằng những nguồn năng lượng sạch là việc làm cần
thiết.
Lý do thứ hai là sự phù hợp của xe máy điện thay vì ơ tơ điện. Như chúng ta đã
biết, Việt Nam là một trong những quốc gia có lượng tiêu thụ xe máy nhiều nhất thế
giới do đặc điểm địa hình đường xá ở Việt Nam có nhiều ngóc ngách, hẻm. Nhưng
đây cũng chính là nguồn phát khí thải chính của phương tiện giao thơng, vì các loại
xe máy phổ thông hiện nay không được đảm bảo tiêu chuẩn về an tồn khí thải. Nói
cách khác, để giảm thiểu tác hại của khí thải xe máy, bảo vệ mơi trường, thì việc thay
thế xe máy sử dụng nhiên liệu truyền thống bằng xe máy điện là khả thi nhất trong
tương lai gần. Đi xe máy điện là một giải pháp quan trọng không chỉ thể hiện sự văn

1

minh mà cịn phải xem đó là điều tối quan trọng để bảo vệ mơi trường sống của chính
mình và cả cộng đồng.
Lý do thứ ba là mong muốn chế tạo xe máy điện thương hiệu Việt. Thực tế xe máy
điện vẫn chưa chiếm được thị hiếu của đa số người tiêu dùng Việt Nam. Có nhiều lý
do để giải thích điều này và một trong số đó là vấn đề giá thành sản phẩm. Bởi hiện
nay, trong giai đoạn tồn cầu hóa, các nhà sản xuất xe điện nói chung và xe máy điện
nói riêng đang chuyển hướng đầu tư sản xuất ra nước ngoài nhằm thu hút tối đa nguồn
tài nguyên và nhân lực từ khắp nơi trên thế giới. Tuy nhiên, đây cũng chính là nguyên
nhân chính ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận chuyển và giá thành sản phẩm do
khoảng cách địa lý. Nhận thấy được điều đó, tác giả lựa chọn động cơ cảm ứng hay
cịn gọi là động cơ khơng đồng bộ ba pha để thay thế động cơ đốt trong, vì động cơ
này được sản xuất và lắp ráp hoàn toàn tại Việt Nam. Do đó, trực tiếp tối ưu hóa chi
phí sản xuất cũng như lắp đặt, bảo trì, sửa chữa cho xe.
Lý do cuối cùng nhưng cũng không kém phần quan trọng về mặt kỹ thuật, đó là bộ
điều khiển động cơ điện. Ngoài động cơ, mạch điều khiển cũng đóng một phần
khơng thể thiếu trong việc vận hành của xe. Hiện nay, các động cơ không đồng bộ ba
pha được áp dụng chủ yếu trong các lĩnh vực công-nông nghiệp với một hoặc một vài
tác vụ hay mục đích nhất định và được điều khiển bằng thiết bị bộ biến tần. Nhiệm
vụ của máy biến tần là biến đổi dòng điện ba xoay chiều 380-480V 50Hz thành dòng
điện ba pha xoay chiều 380-480V 1-400Hz. Trong đó, chúng ta cần phải cài đặt hàng
loạt các giá trị ban đầu như tần số hoạt động, cường độ dòng điện, thời gian đạt đến
tốc độ mong muốn, thời gian dừng động cơ, chiều quay. Ngồi ra, trong q trình
hoạt động, chúng ta không thể thay đổi được thông số cài đặt, khi muốn thay đổi, phải
tiến hành dừng hoạt động của biến tần rồi cài đặt lại các giá trị ban đầu. Mặt khác,
khi động cơ không đồng bộ ba pha được tích hợp trên xe, nguồn cung cấp đầu vào
cho biến tần không phải là điện áp xoay chiều ba pha, mà là điện áp một chiều từ bộ
pin. Vì vậy, tác giả quyết định lựa thiết kế lại bộ điều khiển cho động cơ không đồng
bộ ba pha dựa trên nguyên lý hoạt động của bộ biến tần nhưng phù hợp với cơ chế

hoạt động trên xe. Cụ thể, mạch dẫn động điều khiển có nhiệm vụ chính là tiếp nhận

2


tín hiệu đầu vào (vị trí bướm ga, tốc độ xe) để tính tốn và xử lý, sau đó truyền tín
hiệu đầu ra đến bộ truyền động. Các thơng số cài đặt đầu vào phải được tính tốn dựa
trên các đường cong đặc tính của từng loại động cơ để đảm bảo một số vấn đề như
thay đổi lực kéo tùy thuộc vào tải trọng, điều kiện mặt đường. Hơn nữa, một mạch
điều khiển còn đòi hỏi phải lựa chọn và sắp xếp các linh kiện điện tử một cách hợp
lý để giảm nhiễu khi hoạt động trong điều khiện khắc nghiệt và tăng độ ổn định của
mạch.
1.2.

Tình hình nghiên cứu đề tài

1.2.1. Trong nước
Trong những năm gần đây, xe điện luôn là một trong những đề tài nghiên cứu được
các trường đại học quan tâm đầu từ và phát triển. Tuy nhiên, đa phần các đề tài tập
trung nghiên cứu về xe ô tô lai [4-5] hoặc xe điện ba bánh phục vụ cho mục đích vận
chuyển hàng hóa hay di chuyển đoạn đường ngắn trong khu dân cư [6]. Hiện tại vẫn
chưa có các bài cơng bố khoa học chính thức về xe máy điện, các dự án này đang
trong giai đoạn tìm hiểu và nghiên cứu.
1.2.2. Ngồi nước
Trong thế kỷ XXI, xe điện (EVs) được xem như một trong những phương tiện giao
thông xanh, đã và đang là vấn đề được sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu, dẫn
đến một loạt các nghiên cứu chuyên sâu và quy mô. Với sự phát triển của công nghệ
pin lưu trữ Lithium, số lượng xe EV tăng lên đáng kể. Dựa trên tình trạng phát triển
hiện tại, tác giả tiến hành tổng quan những nghiên cứu trọng điểm về xe điện EV trên
thế giới.

Nghiên cứu ứng dụng động cơ không đồng bộ ba pha vào xe điện, Wang cùng
cộng sự [7] đã nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha và
ảnh hưởng của các sóng hài bậc cao đến q trình vận hành của động cơ, ứng dụng
động cơ không đồng bộ ba pha vào xe lai (hybrid car). Cho cùng cộng sự [8] đã phân
tích thiết kế kết cấu của động cơ không đồng bộ ba pha ảnh hưởng đến vùng làm việc
của động cơ, qua đó đề xuất thiết kế tối ưu bằng phương pháp “niching genetic

3


method”. Jiang cùng cộng sự [9] nghiên cứu thay đổi số cực trong kết cấu động cơ
với mục đích mở rộng vùng công suất không đổi của động cơ (vùng tuyến tính). Cụ
thể, nhóm đã ứng dụng chuỗi Fourier kép để phân tích phổ điện áp và dịng điện ba
pha của động cơ, qua đó suy ra hàm số sóng hài đa bậc. Xue cùng cộng sự [10] đã so
sánh phân tích về hiệu suất, trọng lượng, chi phí giá cả, khả năng tản nhiệt, làm mát,
tốc độ tối đa và độ tin cậy giữa các loại động cơ từ trở, động cơ không đồng bộ ba
pha, động cơ không chổi than có nam châm vĩnh cửu. Mục đích của nhóm là tìm ra
động cơ thích hợp nhất cho xe điện.
Phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, Chern cùng cộng sự [11]
đã tiến hành mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp
thay đổi tỉ lệ V/f dùng bộ xử lí tín hiệu số DSP, các kết quả mơ phỏng chỉ ra mạch mơ
phỏng có thể đáp ứng được vị trí, tốc độ mong muốn khi có ảnh hưởng nhiễu do tải
gây ra. Zhu cùng cộng sự [12] đã chỉ ra rằng động cơ khơng đồng bộ ba pha lồng sóc
có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ và độ tin cậy tốt, nhưng việc điều khiển
tốc độ và momen xoắn của động cơ có độ chính xác khơng cao. Từ những lý do đó,
nhóm tiến hành mơ phỏng hiệu suất của băng thử động cơ điện lồng sóc. Cụ thể,
nhóm tiến hành so sánh phương pháp điều khiển momen xoắn trực tiếp kiểu mới so
với kiểu truyền thống dựa trên phương pháp điều chế véc-tơ không gian. Kết quả mơ
phỏng cho thấy băng thử điện có momen xoắn và phản ứng từ thông stato tốt hơn,
các gợn sóng momen xoắn, dịng điện stato của nó được giảm đáng kể so với sử dụng

phương pháp DTC thông thường. Hassan [13] đã tiến hành mô phỏng điều khiển tốc
độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp điều khiển mờ (Fuzzy) dựa trên
nền tảng trí thơng minh nhân tạo (AI) với mong muốn tăng hiệu quả điều khiển, độ
tin cậy, cũng như tối ưu hóa chi phí vận hành động cơ. Latt và Win [14] đã tiến hành
thiết kế bộ điều khiển động cơ không đồng bộ 1 pha dạng rotor lồng sóc áp dụng
phương pháp biến thiên tần số trong phạm vi từ 16Hz đến 56Hz với điện áp cung cấp
không đổi 300V. Zhang cùng cộng sự [15] đề xuất sử dụng một bộ quan sát, bộ điều
khiển chế độ trượt không sử dụng cảm biến tốc độ. Cụ thể, nhóm tác giả điều chế
xung dựa trên chế độ trượt với mục đích tập trung vào việc kiểm soát momen xoắn,

4


sau đó phát triển khả năng kiểm sốt tốc độ. Kết quả mơ phỏng, thí nghiệm cho thấy
phương pháp này đạt được hiệu quả cao, ước lượng được sự trượt giữa stator và rotor.
Schauder [16] đã chỉ ra rằng hiệu suất của truyền động động cơ không đồng bộ ba
pha điều khiển bằng véc-tơ khơng có cảm biến tốc độ thường kém ở tốc độ rất thấp
bởi vì các thành phần bù và trơi trong tín hiệu phản hồi thu được bị biến dạng điện
áp, do sự biến dạng điện áp phi tuyến trong quá trình nghịch lưu bởi các khóa bán
dẫn. Nhóm tiến hành xây dựng một mơ hình hóa bộ ước tính từ thơng của stator và
đề xuất hướng nghiên cứu thay đổi điện trở stator trong quá trình vận hành. Kết quả
cho thấy động cơ hoạt động ổn định và mượt hơn ở vùng tần số thấp.
Qua q trình tổng quan các nghiên cứu trong và ngồi nước. Tác giả thấy được các
nghiên cứu về ứng dụng động cơ không đồng bộ ba pha vào xe điện đa phần đều
tập trung vào ô tô điện, hoặc xe ô tô lai, chưa tìm thấy nghiên cứu đáng kể nào
về xe máy điện hai bánh. Từ đó, tác giả quyết định tiến hành nghiên cứu về động
cơ không đồng bộ ba pha ứng dụng trên xe máy điện hai bánh.
1.3.
-

Mục tiêu đề tài

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

-

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

-

Đánh giá hoạt động của mạch và phương pháp điều khiển trên động cơ không
đồng bộ ba pha được áp dụng trên băng thử và trên mơ hình xe máy điện.

1.4.

Cách tiếp cận

Từ việc khảo sát thị trường và các nghiên cứu liên quan, đi đến nghiên cứu một đối
tượng cụ thể.
Từ việc khảo sát thị trường xe máy điện và ở Việt Nam và các nghiên cứu trong và
ngoài nước, tác giả thực hiện nghiên cứu cụ thể đối tượng xe máy điện hai bánh sử
dụng động cơ không đồng bộ ba pha dạng rotor lồng sóc.

5


1.5.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.5.1. Đối tượng nghiên cứu
-

Động cơ không đồng bộ ba pha.

-

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

1.5.2. Phạm vi nghiên cứu
-

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

-

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

1.6.

Nội dung nghiên cứu

Đề tài này đã thực hiện những nội dung sau:
-

Tổng quan các nghiên cứu liên quan.

-

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

-

Chế tạo mơ hình, lắp đặt thí nghiệm trên băng thử và trên mơ hình xe máy điện.

1.7.
-

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tổng quan tài liệu: Các bài báo khoa học từ các nguồn tài liệu
uy tín nhất (Sciencedirect, Springer, IEEE, Elseviser) được tác giả nghiên cứu tải
về đọc, phân tích để tìm ra những vấn đề các nhà khoa học đi trước chưa giải
quyết.

-

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

1.8.

Kết quả dự kiến đạt được

-

Xác định các thông số thiết kế của mạch.

-

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

1.9.

Bố cục luận văn

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

6


-

Chương 1: Tổng quan

-

Chương 2: Cơ sở nghiên cứu

-

Chương 3: Thiết kế hệ thống

-

Chương 4: Thử nghiệm và đánh giá

-

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

-

Tài liệu tham khảo

7


CHƯƠNG 2

CƠ SỞ NGHIÊN CỨU

2.1.

Động cơ điện không đồng bộ ba pha

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

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 nhơm có tráng men cách điện.

 Rotor
-

Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.

-

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

-

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

Từ trường 3 pha do dây quấn 3 pha stator của động cơ điện xoay chiều sinh ra, giả
thiết mỗi pha dây quấn có một phần tử và dịng điện đưa vào dây quấn là dòng ba pha
đối xứng như hình 2.1.

8

1

(A) 0.8
0.6

Fm

iA

0.4

Fm

iB

iC

Fm

0.2

F,
i

0

-0.2
-0.4

-0.6
-0.8
-1
0

0.2

0.4

0.6

0.8

wt

1

1.2

(rad)

Hình 2.1: Phân bố dịng và sức từ động trong dây quấn ba pha
Ta có phương trình dịng điện ba pha của từng dây quấn là:

i A  I max .sin( t  2 )

(2.1)

iB  I max .sin( t 





2
3

)

(2.2)

iC  I max .sin( t 





4
3

)

(2.3)

2

2

Xét một động cơ điện khơng đồng bộ gồm có 3 cuộn dây stator AX, AY, CZ đặt trong
6 rãnh. Trục của các dây quấn lệch nhau trong khơng gian một góc 120o điện (hình

2.2). Chiều dịng điện theo mặt cắt ngang được qui ước vơi dấu “+” là chiều dòng đi
vào, dấu “-” là chiều dịng đi ra.

Hình 2.2: Từ trường quay ba pha

9


Xét tại từng thời điểm, ta thấy được phương chiều, trị số của từ trường do dây quấn
ba pha tao ra như sau:
Tại thời điểm t   , dòng I A cực đại, dòng I B & IC < 0, lúc này sức từ động pha A
2

cực đại, FA  Fm . Dựa vào quan hệ các véc-tơ sức từ động của ba pha, ta có:

F3 p 
Tại thời điểm t 


2



3
3
FA  Fm
2
2

(2.4)

2
, dòng I B cực đại, dòng I A & IC < 0, lúc này sức từ động
3

pha B cực đại, FB  Fm . Và:

F3 p 
Tại thời điểm t 


2



3
3
FB  Fm
2
2

(2.5)

4
, dòng IC cực đại, dòng I B & I A < 0, lúc này sức từ động
3

pha C cực đại, FC  Fm . Và:

F3 p 

3
3
FC  Fm
2
2

(2.6)

Ta thấy, khi rotor quay hết một vịng ( 2 ) thì dịng điện và sức từ động trùng với
thời điểm ban đầu. Tốc độ dịch chuyển của sức từ động phụ thuộc vào tốc độ góc 
của dịng điện xoay chiều và số cực từ trong máy điện. Hay nói cách khác, sức từ
động (từ trường) trong động cơ điện xoay chiều ba pha đối xứng có trị số khơng đổi
có phương chiều biến đổi theo quỹ tích vịng trịn trong khơng gian dọc theo khe hở
khơng khí (khe hở từ), cịn được gọi là sức từ động ba pha quay hay từ trường quay
[18].
Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha đối xứng trong các máy
điện có ưu điểm lớn là tạo ra từ trường quay. Từ trường này cắt các thanh dẫn của
dây quấn rotor, cảm ứng các sức điện động trong dây quấn. Vì dây quấn rotor nối

10


ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rotor.
Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay (sức từ động) với các thanh dẫn mang
dòng điện rotor, kéo rotor quay cùng chiều quay của từ trường với tốc độ thấp hơn
tốc độ quay của từ trường trên stator [18].
2.1.2. Điều khiển tốc độ động cơ
Độ chênh lệch tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor được gọi là tốc độ trượt. Công
thức (2.7) [19] thể hiện mối quan hệ giữa độ trượt, tần số cung cấp và số cực đến tốc

độ của động cơ (rotor).
N

120 f
(1  s )
p

(2.7)

Tốc độ thực của động cơ điện phụ thuộc vào tần số hoạt động, số cực và độ trượt
tương đối giữa stator và rotor. Trong đó số cực là phần cứng khơng thể thay đổi trong
quá trình hoạt động, tốc độ động cơ lúc này sẽ phụ thuộc vào độ trượt và tần số hoạt
động. Nói cách khác, tốc độ thực tế của xe máy điện có thể được thay đổi dựa trên sự
thay đổi tần số động cơ với kỳ vọng rằng động cơ sẽ đạt được tốc độ mong muốn
tương ứng với độ trượt thấp nhất.
Việc thay đổi tần số trong khi duy trì biên độ khơng đổi của điện áp sẽ làm tăng dòng
điện cung cấp cho động cơ. Về cơ bản, dịng điện đi vào động cơ có hai nhiệm vụ
chính, một là dùng để tạo ra từ thông cắt các thanh dẫn dây quấn rotor, sinh ra sức
điện động trên rotor, gọi là dịng từ hóa. Phần còn lại biến thành nhiệt gây hao tổn,
giảm tuổi thọ của động cơ. Mặt khác, khi nâng dòng điện đến một mức nào đó thì sẽ
xảy ra hiện tượng bão hồ từ, do đó dịng từ hố khơng thể tăng được nữa. Lúc này,
nếu dòng điện tiếp tục tăng lên, nó chỉ có nhiệm vụ duy nhất là tạo ra tổn thất, dẫn
đến quá nhiệt. Ngược lại, nếu từ thông giảm xuống dưới định mức sẽ làm giảm
momen động cơ. Do đó, việc giảm tần số cung cấp cho động cơ xuống dưới tần số cơ
bản thường liên quan đến việc giảm điện áp cung cấp cho động cơ tuân theo tỷ số V/f
khơng đổi. Nói cách khác, thay đổi điện áp và tần số sao cho tỷ lệ V/f khơng đổi để
từ thơng khơng đổi trong vùng tuyến tính.

11

Tuy nhiên, ở tần số thấp (f trở nên rất rõ ràng [20]. Vì vậy, tần số tối thiểu nhỏ hơn nhiều so với momen kéo ở
tần số cao hơn, và đây có thể là một vấn đề đối với tải yêu cầu momen khởi động cao
ở dải tần số thấp [21]. Hiệu suất tần số thấp có thể được cải thiện bằng cách tăng tỷ
lệ V/f ở tần số thấp để giữ thông lượng đầy đủ, một kỹ thuật được gọi là tăng áp
(đường màu đỏ trong hình 2.3) [22].

Hình 2.3: Sự thay đổi giữa điện áp và tần số
Mặt khác, khi động cơ đạt tốc độ cao bằng với định mức, thì tần số f có thể được
khuyến khích để đẩy ra khỏi khung (f > frated) trong khi vẫn duy trì điện áp định mức
để tăng tốc độ động cơ. Lúc này động cơ hoạt động trong vùng có từ thơng giảm
nhưng vẫn đảm bảo ổn định nếu phụ tải khơng bị thay đổi bất thường.
Tóm lại, để thay đổi tốc độ động cơ, ta phải thay đổi giá trị điện áp cung cấp và tần
số đầu vào tùy thuộc vào vùng làm việc và chế độ hoạt động của động cơ.
2.2.

Bộ nghịch lưu áp ba pha

2.2.1. Nguyên lí hoạt động
Trên xe máy điện, nguồn năng lượng sử dụng cho động cơ là nguồn pin lithium-ion,
là nguồn điện một chiều. Nên cần phải có một thiết bị để chuyển đổi điện áp từ một
chiều sang điện áp xoay chiều ba pha với tần số và điện áp biến thiên, thiết bị này là
bộ nghịch lưu áp ba pha. Bộ nghịch lưu áp ba pha là một phần của bộ biến tần gián

12


tiếp ba pha. Có chức năng chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều.
Quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu áp thường là quá trình chuyển mạch cưỡng

bức, được thực hiện bởi các linh kiện bán dẫn cưỡng bức.
 Khóa bán dẫn cơng suất
Hình 2.4 bên dưới thể hiện cấu trúc cơ bản của một bộ nghịch lưu áp. Trong đó, các
khóa bán dẫn là linh kiện bán dẫn cưỡng bức (IGBTs) trực tiếp nghịch lưu điện áp từ
một chiều thành xoay chiều.

Hình 2.4: Sơ đồ bộ nghịch lưu cơ bản
Các thuật toán điều khiển động cơ được đưa ra xoay quanh việc điều khiển các khóa
bán dẫn để tạo ra sự thay đổi về điện áp, dòng điện, thời gian chuyển pha, tần số ở
đầu ra để phù hợp từng đặc tính tải khác nhau của động cơ. Thơng thường, các khóa
bán dẫn cơng suất được sử dụng phổ biến là các IGBTs. IGBT là một transitor cơng
suất, có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa
phải khi dẫn điện. Ưu điểm của IGBT là khả năng đóng ngắt nhanh làm cho nó được
sử dụng phổ biến trong các bộ biến đổi điều chế xung ở tần số rất cao.
Khi tác dụng lên cực G một điện thế dương, lúc này các hạt mang điện loại N được
kéo vào kênh P gần cực G làm giàu điện tích mạch cổng P của transistor NPN làm
cho transistor này dẫn điện và làm cho IGBT dẫn, việc ngắt IGBT có thể thực hiện
bằng cách ngắt điện thế cấp cho cực G để ngắt kênh dẫn P [23].

13


Hình 2.5: Sơ đồ mạch tương đương của IGBT
2.2.2. Nghịch lưu điện áp bằng phương pháp SPWM
Phương pháp SPWM hay còn goi là phương pháp điều chế độ rộng xung theo hàm
sin. Phương pháp điều chế độ rộng xung này tạo ra điện áp gần giống với dạng hình
sin và đồng thời điều chỉnh được điện áp mong muốn dựa trên cơ sở so sánh hai tín
hiệu cơ bản [24]:
-

Sóng mang (tần số cao) là dạng sóng hình tam giác. Tần số sóng mang càng cao,
lượng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều. Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm
tổn hao phát sinh do q trình đóng ngắt tăng (tổn hao nhiệt).

-

Sóng điều khiển, hay tín hiệu điện áp tham chiếu hoặc sóng điều chế (modulating
signal) dạng hình sin. Sóng điều khiển mang thơng tin về độ lớn, trị số hiệu dụng
và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra.

Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, tín hiệu xung tam giác tần
số cao (sóng mang) được so sánh với điện áp sin chuẩn (sóng điều chế). Nếu dạng
xung đầu ra này được cung cấp cho bộ nghịch lưu 1 pha, đầu ra sẽ nhận được điện áp
PWM có tần số bằng tần số hình sin mẫu. Biên độ sóng hài bậc nhất phụ thuộc vào
điện áp cung cấp và tỉ số giữa biên độ sóng sin mẫu và sóng mang. Nếu điện áp sóng
điều chế lớn hơn điện áp sóng mang, tín hiệu PWM ở đầu ra sẽ hiển thị mức cao.
Ngược lại, nếu điện áp sóng sin điều chế thấp hơn điện áp sóng mang thì tín hiệu
PWM sẽ thấp. Hình 2.6 dưới đây trình bày sự so sánh giữa sóng mang (đường màu

14


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

Điện áp [V]

5

0

-5

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

Thời gian [s]

Điện áp [V]

1

0.5

0

-0.5

-1

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

Thời gian [s]

Hình 2.6: So sánh tín hiệu sóng mang và sóng điều chế
Nghịch lưu áp ba pha thường được dùng chủ yếu với biến điệu bề rộng xung, mục
đích bảo đảm điện áp ra có dạng hình sin. Để đảm bảo điệp áp ra không phụ thuộc
vào tải người ta thường dùng biến điệu bề rộng xung hai cực tính, như vậy mỗi pha
của sơ đồ ba pha có thể được điều khiển độc lập với nhau.
Để điều khiển động cơ theo một tỷ lệ V/f bằng phương pháp điều chế độ rộng xung
SPWM, tần số sóng mang cần được thiết lập. Cụ thể, tần số sóng mang phải cao hơn
tần số của sóng điều chế để đảm bảo tín hiệu đầu ra mang đến tải càng mịn càng tốt.
Do đó, tần số sóng mang thơng thường phải nằm trong khoảng 5-15KHz, điều này
phụ thuộc vào các chế độ tải trọng khác nhau. Tần số sóng mang càng cao thì lượng
sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều, tuy nhiên điều này dẫn đến tổn hao qua nhiệt cho
các khóa bán dẫn. Ngược lại, nếu tần số sóng mang q thấp sẽ dẫn đến tín hiệu đầu
ra khơng ổn định, dẫn đến tình trạng suy tần.
2.2.3. Thiết lập sóng mang

15