động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (ipmsm)

Đồ án chuyên nghành
MỤC LỤC
Mai Đình Thế Page 1
Đồ án chuyên nghành
ĐỀ TÀI : ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (IPMSM)
Thông số động cơ: Cho động cơ đồng bộ với các thông số sau:
Udm=50V, n
đm
=1200rpm ,J=0,4e-3 kg.m
2
,I
đm
=8,66,số đôi cực p=2 ;R
s
=0,57Ω,
f
=0.108Wb, Lsd=8.7mH,Lsq=22.8mH
YÊU CẦU:
- Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ truyền động điều khiển bằng
phương pháp vector
- Mô hình hóa hệ truyền động bằng phương pháp hàm truyền
- Xây dựng cấu hình hệ điều khiển với mạch dòng điện và tốc độ
Mô phỏng hệ điều khiển bằng hai phương pháp điều khiển PID dùng mô hình
hàm truyền
Lấy các đặc tính điều khiển (tốc độ dòng điện) vùng dưới tốc độ cơ bản và vùng
điều khiển giảm từ thông (trên tốc độ cơ bản )
Mai Đình Thế Page 2
Đồ án chuyên nghành
I. Giới thiệu động cơ các phương pháp điều khiển, ứng dụng
1. Khái niệm và cấu tạo
Động cơ đồng bộ là động cơ xoay chiều có tốc độ quay của rotor bằng tốc

độ quay của từ trường. Ở chế độ xác lập động động cơ điện có tốc độ quay của
rotor luôn không đổi khi tải thay đổi tùy thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực
của động cơ
Động cơ đồng bộ nói chung , động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng là
những máy điện xoay chiều gồm có 2 phần stator và rotor , phần cảm đặt ở
rotor và phần ứng đặt ở stator. Với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì
phần cảm ứng được kích thích bằng những phím nam châm bố trí trên bề mặt
hoặc dưới bề mặt rotor. Các thanh nam châm được làm bằng đất hiếm ví dụ như
Samariu-cobalt(SmCO
5
, SmCO
7
) hoặc Neodymium-iron-boron(NdFeB), là các
nam châm có năng suất năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn
trên bề mặt hoặc bên trong lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao, nhất là
khi tốc độ làm việc cao thì khe hở giữa các nam châm có thể đắp bằng vật liệu
từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao , ví dụ như sợi thủy tinh hoặc bắt bu
lông vít lên các thanh nam châm. Ngoài ra còn có nam châm gốm độ bền cao
2. Phân loại

Mai Đình Thế Page 3
Trapezoidal type
(BLDCM)
PMAC machines
Sinusoidal type
(PMSM)
Surface magnets type
(SPMSM)
Interior magnets type
(IPMSM)

Đồ án chuyên nghành
Dựa vào loại sức phản điện động trên stator động cơ đồng bộ xoay chiều ba
pha(PMAC) có thể chia làm 2 loại dạng hình sin (PMSM) và dạng hình thang
(BLDC)
Loại Trapezoidal PMAC còn được gọi là động cơ một chiều không chổi than
(BLDC). Điểm khác biệt cơ bản so với những động cơ đồng bộ khác là sức phản
điện động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu trúc dây quấn tập
trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây quấn phân tán). Dạng sóng
sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ BLDC có đặc tính cơ giống
động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh mômen cao, hiệu suất cao.
Dựa vào vị trí nam châm trong rotor người ta phân Sinusoidal PMAC thành 2 loại
động cơ đồng bộ nam châm bề mặt(SPMSM) và động cơ đồng bộ nam châm chìm
(IPMSM)
Hình 1: Cấu trúc động cơ SPM và IPM
Mai Đình Thế Page 4
Đồ án chuyên nghành
Hình 2 : Khác với động cơ SPM, động cơ IPM có điện cảm dọc trục và ngang
trục khác nhau
Hình 3: Đặc tính sinh momen của động cơ IPM
Động cơ SPM thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor. Động cơ
IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor dẫn tới sự khác biệt giữa điện
cảm dọc trục và điện cảm ngang trục,từ đó tạo khả năng sinh mômen từ trở
(Reluctance Torque) cộng thêm vào mômen vốn có do nam châm sinh ra
Mai Đình Thế Page 5
Đồ án chuyên nghành
(Magnet Torque) như ta thấy trên hình . Đặc tính này khiến động cơ IPM có
khả năng sinh mômen rất cao, đặc biệt phù hợp cho ô tô điện. Mặt khác, động
cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho
phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ
3. Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM)

Điện áp đặt stator là điện áp ba pha có thể cấp từ biến tần hoặc từ lưới xuất
hiện dòng ba pha trên stator. Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ thông khe hở không
khí ,từ thông này tác động với dòng điện stator tạo ra momen kéo rotor quay .
Ở chế độ xác lập tốc độ rotor luôn đồng bộ với từ trường stator nên được gọi là
động cơ đồng bộ
4. Ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM)
Gần đây động cơ đồng bộ ngày càng ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng
thực tế như trong các phương tiện giao thông trong các máy công cụ như máy
nén khí máy nghiền và kéo tầu. Tận dụng khả năng điều chỉnh trong dải tốc độ
rộng và khả năng sinh momen lớn động cơ đồng bộ nam châm chìm đang được
ứng dụng rất mạnh trong lĩnh vực chế tạo ô tô
II.Hệ phương trình cơ bản của động đồng bộ nam châm chìm( IPMSM)
1. Đặt vấn đề
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 chủ yếu là để phục vụ cho xây dựng các thuật toán điều chỉnh
chứ không phải mô tả chính xác về mặt toán học đối tượng động cơ. Điều đó
dẫn đến các điều kiện được giả thiết khi thiết lập mô hình . Các điều kiện nhằm
đơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế sau này ,mặt khác nó gây nên sai
lệch cho phép nhất định giữa đối tượng và mô hình .Sau này các sai lệch đó
phải được loại trừ bằng các phương pháp thuộc về kỹ thuật điều chỉnh
Về phương diện động động cơ đồng bộ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân
bậc cao . Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian , vì các
Mai Đình Thế Page 6
Đồ án chuyên nghành
mạch từ móc vòng ta phải chấp nhận các điều kiện sau đây khi mô hình hóa
động cơ
• Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian
• Các tổn hao sắt từ và bão hòa từ có thể bỏ qua

• Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi
2. Các hệ phương trình cơ bản của động cơ
Phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator của động cơ
U
su
(t)=R
s
i
su
(t) +
U
sv
(t)=R
s
i
sv
(t) +
U
sw
(t) =R
s
i
sw
(t)+
Với R
s
điện trở của cuộn dây stator
Ψ
su,
ψ

sv,
ψ
sw
từ thông stator của cuộn dây pha u,v,w
U
su,
U
sv
,U
sw
điện áp pha u,v,w stator
Để đơn giản hóa mô hình động cơ dùng phép chuyển đổi trục tọa độ đưa hệ
thống ba pha từ (uvw) sang hệ tọa độ dq . Hệ tọa độ dq là hệ tọa độ tựa từ
thông rotor
Ma trận chuyển đổi
U
sd
, U
sq
phần tử d,q của vector điện áp stator
là góc giữa trục chuẩn (quy ước là trục đi qua cuộn dây pha u) và trục rotor
Mai Đình Thế Page 7
Đồ án chuyên nghành
Hình 4.Biễu diễn vector không gian trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor(dq)
Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM)
Hình 5.Sơ dồ thay thế động cơ IPM
- Phương trình điện áp stator trong hệ tọa độ dq
U
sd
= R

s
.i
sd
+ - .
q
U
sq
= R
s
.i
sq
+ + .
d
Mai Đình Thế Page 8
Đồ án chuyên nghành
Trong đó i
sd
, i
sq
phần tử d,q của vector dòng điện stator

d,q
phần tử d,q của vector từ thông
- hương trình từ thông

d
= i
sd.
L
sd + p

q
= i
sq
. L
sq
p
: từ thông của rotor nam châm vĩnh cửu
• Phương trình mômen
M= p.(ψ
s
. i
s
)

• Phương trình động học
M-M
T
= J
Trong đó J Momen quán tính cơ
M
T
Momen tải ,momen cản
là tốc độ góc rotor
Mai Đình Thế Page 9
Đồ án chuyên nghành
3.Mô hình động cơ trong hệ tọa độ tựa từ thông rotor
Hình 6. Sơ đồ cấu trúc mô hình động cơ IPM
Dựa vào hình 6 ta thấy đầu vào của mô hình động cơ IPMSM là điện áp
ba pha đầu ra là các giá trị tốc độ và dòng stator. Điện áp ba pha được chuyển

qua hệ tọa độ dq như đã được trình bày ở mục trên
Sử dụng phương trình từ thông và phương trình điện áp ta có thể viết lại
I
sd
=
I
sq
=
Phương trình momen
M=
= (*)
Nhận xét : Dựa vào phương trình (*) ta nhận thấy momen quay của động cơ
IPM gôm 2 thành phần ,thành phần chính với M
1
= và thành phần phản kháng
M
2
=do sự chênh lệch điện cảm stator gây ra . Ở dải tốc độ định mức để đơn
giản hệ thống ta có thể cho
i
sd
= 0. Tuy nhiên với dải tốc độ trên định mức để thu thêm được điện áp điều
chỉnh ta phải giảm biên độ từ thông rotor bằng cách bơm vào trục d một thành
Mai Đình Thế Page 10
Đồ án chuyên nghành
phần dòng i
sd
<0 . Động cơ lúc này được vận hành ở chế độ giảm từ thông và
dòng i
sd

sẽ có biên độ lớn tăng tỉ lệ thuận với tốc độ quay rotor
Từ các phương trình trên ta xây dựng được mô hình trong simulink
Mô hình Simulink
Hình 7. Sơ đồ Simulink động cơ IPM
III. Chiến lược điều khiển
Phương pháp điều khiển FOC là sự lựa chọn tốt nhất có khả năng điều khiển
momem tốt , đáp ứng nhanh . Có khả năng làm suy yếu dòng Isd để đạt được dải
tốc độ trên tốc độ cơ bản . Vì vậy trong đề tài này em sử dụng phương pháp FOC
1.Phương pháp điều khiển FOC
Phương pháp FOC là phương pháp điều khiển vòng kín . Tốc độ động cơ được sử
dụng làm thông tin phản hồi để thực hiện thuật toán này. Việc điều khiển momen
được điều khiển gián tiếp thông qua điều khiển dòng điện stator i
s
Mai Đình Thế Page 11
Đồ án chuyên nghành
HÌnh 8.Sơ đồ cấu trúc điều khiển FOC
Theo sơ đồ cấu trúc gồm mạch vòng dòng điện(gồm i
sd
và i
sq
)và tốc độ. Giá trị
tốc được đo về qua encoder hoặc máy phát tốc so sánh với giá trị tốc độ đặt .
Trường hợp điều khiển dưới tốc độ cơ bản giá trị i
sd
*
=0 . Trường hợp trên tốc độ
cơ bản từ giá trị momen đặt tính được giá trị i
sd
*
và giá trị i

sq
*
. Việc tính dòng
i
sd
*
,i
sq
*
trong đề tài này em sử dụng phương pháp (M
max
/I
s
)
max
(MTPA-
Maximum torque per ampere)
2. Phương pháp điều khiển MTPA
Hình 9
Mai Đình Thế Page 12
Đồ án chuyên nghành
Điều khiển cực đại tỉ số “ momen/dòng điện” dẫn đến tổn thất cực tiểu trong
động cơ điều đó có nghĩa là tối ưu hóa hiệu suất của truyền động.
Phương trình momen
M= (*)
Hình 10. Biễu diễn vector Is
Đặt =
=
: biên độ dòng điện lớn nhất được cung cấp từ bộ nghịch lưu
Thay vào (*) ta có

M=
Lúc này momen là hàm của . Vậy ta có thể tìm để tỉ số
max
Cuối cùng ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa M* và dòng stator tương ứng
f(M*);f(M*)
Mai Đình Thế Page 13
Đồ án chuyên nghành
III. Tổng hợp hệ thống điều khiển động cơ nam châm chìm(IPMSM )tựa theo
từ thông rotor
1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện
Trong trường hợp hệ thống truyền động có hằng số thời gian cơ học rất
lớn( lớn hơn bốn lần hằng số thời gian điện từ của phần ứng ) . Khi đó ra coi
sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch
vòng dòng điện ( coi E=0). Dựa vào sơ đồ cấu trúc ta thấy hai bộ điều chỉnh
dòng điên R
isd
và R
isq
hoàn toàn giống nhau về mặt cấu trúc nên chỉ cần tính
toán thiết kế cho bộ điều chỉnh dòng R
isd

Hình 11.Cấu trúc của bộ điều khiển dòng điện
Sơ đồ khối mạch vòng điện (i
sd
) được mô tả như hình 11
Mai Đình Thế Page 14
Đồ án chuyên nghành
Hình 12. Sơ đồ mạch vòng dòng điện
Trong sơ đồ trên

Tcl : hằng số thời gian của mạch nghịch lưu và phát xung
Ti : hằng số thời gian của mạch đo dòng điện
Kcl : hằng số khuếch đại của mạch nghịch lưu
Ki : hằng số khuếch đại của mạch đo dòng điện
Khi đó hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là
P= (*)
Trong đó các hằng số thời gian Tcl,Ti rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ
Tsd
Đặt Ts= Tcl+Ti thì công thức (*) có thể viết gần đúng như sau
P=
Theo tiêu chuẩn tối tối ưu modul thì hàm truyền chuẩn của mạch vòng dòng
điện là
Fc=
Mai Đình Thế Page 15
Đồ án chuyên nghành
Suy ra
Risd=
Chọn Ts=T ta có
Risd=
Ta thấy bộ điều chỉnh dòng điện là môt khâu PI
Bằng cách tương tự ta có bộ điều chỉnh Risq cũng là một khâu PI
Risq=
Như vậy hàm truyền kín của mạch vòng điều chỉnh tốc độ là
Wi(s) =
2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Từ phần tổng hợp mạch vòng dòng điện ta có hàm truyền
Wi(s) = (**)
Vì hằng số thời gian Ts rất nhỏ ( cỡ 10
-3
-10

-4
) nên để đơn giản ta có thể thay thế
(**) bằng phương pháp gần đúng của mạch vòng dòng điện
Wi(s) =
Mai Đình Thế Page 16
Đồ án chuyên nghành
Hình 13.Cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ
Trong đó là khâu hàm truyền của sensor tốc độ
Vậy hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là :
P
w=
Đặt = 2T
s
+ T
w
Khi đó hàm truyền của đối tượng được viết lại
P
w
Đặt K=
Suy ra P
w
Trong các thiết bị công nghệ hiện nay thường yêu cầu hệ thống điều chỉnh vô
sai cấp cao , do đó áp dụng chuẩn tối ưu đối xứng ta có hàm truyền chuẩn của
mạch vòng tốc độ là:
=
Vậy ta có
=
Mai Đình Thế Page 17
Đồ án chuyên nghành
Chọn = T

s
Suy ra :
=
IV. Mô phỏng trong Simulink
1. Trường hợp điều khiển dưới tốc độ cơ bản (n* = 1180rpm)
Hình 14
Mai Đình Thế Page 18
Đồ án chuyên nghành
Hình 15. Kết quả mô phỏng dưới tốc độ cơ bản
Mai Đình Thế Page 19
Đồ án chuyên nghành
Hình 16. Kết quả mô phỏng i
d
, i
q
dưới tốc độ cơ bản
2.Trường hợp trên tốc độ cơ bản (n*= 1400rpm)
Hình 17.
Mai Đình Thế Page 20
Đồ án chuyên nghành
Hình 18. Kết quả mô phỏng trên tốc độ cơ bản
Mai Đình Thế Page 21
Đồ án chuyên nghành
Hình 19: Kết quả mô phỏng i
d
, i
q
trên tốc độ cơ bản
Nhận xét: Khi khởi động dòng tăng nhanh để tạo ra momen lớn .Để hạn chế
dòng ta dùng khối saturation để hạn chế dòng lúc khởi động

Mai Đình Thế Page 22
Đồ án chuyên nghành
Từ đồ thị nhận thấy : Thời gian đáp ứng nhanh bám giá trị đặt không có độ quá
điều chỉnh
Khi có nhiễu tải tốc độ có giảm xuống song ổn định trở lại rất nhanh bám sát
giá trị đặt
Kết quả điều khiển cho thấy thiết kế bộ điều khiển khá chính xác
Tuy nhiên vẫn có sai số mô hình nên khi có nhiễu tải thì giá trị tốc độ bị sụt
xuống khá lớn . Để chất lượng điều khiển được đảm bảo tốt hơn cần dùng bộ
điều khiển theo phương pháp điều khiển tiên tiến như logic mờ
Mai Đình Thế Page 23
Đồ án chuyên nghành
V. Tài liệu tham khảo
• Cơ sở truyển động điện ( Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn-
Phạm Quốc Hải- Dương Văn Nghi)
• Điều chỉnh tự động truyền động điện (Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn
Liễn)
• Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động ( Nguyễn Phùng
Quang)
• Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha ( Nguyễn Phùng
Quang)
• Truyền động điện thông minh ( Nguyễn Phùng Quang)
Mai Đình Thế Page 24