BÁO cáo NGHIÊN cứu KHOA học điều khiển động cơ BLDC bằng phương pháp giả vector PVC

Điều khiển động cơ BLDC bằng phương pháp giả vector PVC
1. Tóm tắt:
Ta tiến hành mô phỏng và làm thực nghiệm với thuật toán “Điều khiển giả vector” (Pseudo
Vector Control - PVC) để truyền động cho động cơ BLDC. Phương pháp này được đề xuất sau
nghiên cứu của Phó Giáo sư - Tiến sĩ Tạ Cao Minh và Giáo sư Shuji Endo tại đại học Gunma
(Nhật Bản). Phát minh này sẽ giúp giảm sự đập mạch momen thường thấy ở động cơ BLDC, mở
rộng dải điều chỉnh tốc độ và giúp động cơ hoạt động chính xác, êm ái, giảm hẳn tiếng ồn. Thuật
toán PVC rất phù hơp khi áp dụng cho hệ thống trợ lái của xe ô tô do cấu trúc nhỏ gọn cũng như
các ưu điểm trên, thay thế cho hệ thống cũ sử dụng cơ cấu thủy lực.
2. Cơ sở lý thuyết:
2.1. Giới thiệu về động cơ BLDC:
Động cơ BLDC có sức phản điện động hình thang và dòng điện có dạng hình chữ nhật như
trong hình 1. Động cơ BLDC có nhiều ưu điểm: hiệu suất cao hơn hẳn so với các động cơ khác
có cùng kích thước, ít khi phải bảo trì và cũng ít gây tiếng ồn hơn so với các loại động cơ một
chiều có chổi than. Tuy nhiên, do dạng của sức phản điện động và dòng điện, động cơ BLDC có
hai nhược điểm chính là: nhấp nhô mômen và khó điều khiển ở vùng tốc độ cao. Tuy nhiên, sau
khi nghiên cứu, mô phỏng và thực nghiệm thuật toán PVC vào điều khiển động cơ BLDC, ta thấy
đã khắc phục được cả hai nhược điểm trên.
120
0
ω
t
0
e, i
E
I
Hình 1. Dạng sức phản điện động và dòng điện của động cơ BLDC
2.2. Điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp truyền thống:
Để điều khiển động cơ BLDC, phải sử dụng phương pháp điều khiển dòng điện pha truyền
thống như hình 2 với bộ điều khiển dòng điện R
i

và tốc độ R
ω
. Với hệ thống truyền động này,
BLDC có thể làm việc với mômen cơ bản và tốc độ dưới tốc độ cơ bản.
Hình 2. Hệ điều khiển động cơ BLDC truyền thống với mạch vòng dòng điện và tốc độ
Trong nhiều ứng dụng như là xe điện, máy công cụ,… yêu cầu dải điều chỉnh tốc độ rộng
(vượt quá tốc độ cơ bản). Tại vùng trên tốc độ cơ bản, vì công suất của động cơ BLDC là một giá
trị giới hạn, mômen sẽ giảm tỷ lệ với tốc độ. Hình 3 chỉ ra dạng đặc tính làm việc của động cơ,
trong đó đoạn bd được gọi là đường cong giới hạn công suất, trên vùng này tốc độ đạt cực đại với
mômen tải cho sẵn. Hệ truyền động truyền thống không thể làm việc trên đường cong giới hạn
công suất do sự bão hòa điện áp. Đường cong phía dưới bef mô tả trên hình 3 là quỹ tích các
điểm làm việc của hệ thống điều khiển truyền thống mà không có bất cứ công nghệ điều khiển
đặc biệt.
rated
T
0
T
ω
m
ω
m_max
ω
m_rated
a
b
c
T
ω
m1
d

ω
m2
e
f
T
2
1
Hình 3. Điểm làm việc của động cơ BLDC
Thuật toán PWM được sử dụng để điều khiển điện áp cấp vào cho động cơ BLDC. Làm việc
ở tốc độ cơ bản, từng cặp van công suất sẽ dẫn trong khoảng dẫn 120
o
mỗi nửa chu kỳ. Do đó
điện áp cấp vào đạt giá trị định mức. Đây là giá trị điện áp cấp vào cực đại cho động cơ BLDC.
Công thức điện áp cho từng pha của động cơ:
Vì điện áp cấp vào bị giới hạn, nếu dòng điện động cơ lớn đủ để thỏa mãn mômen tải (ví dụ
T2), sức phản điện động không thể tăng tới giá trị cao hơn. Sức phản điện động tỷ lệ với tốc độ
động cơ, do đó tốc độ động cơ không thể tăng (
2m
ω
<
1m
ω
) như thể hiện ở điểm e trên hình 3.
Tương tự, nếu chúng ta muốn động cơ làm việc ở vùng tốc độ cao hơn (ví dụ
1m
ω
), mômen đầu
ra của động cơ không thể tăng như yêu cầu (T
2
< T

1
điểm f trên hình 3). Do điểm làm việc e, f
nằm dưới đường cong giới hạn công suất, tổng công suất của động cơ không thể tận dụng.
3. Phương pháp PVC:
3.1. Ý tưởng của phương pháp:
Như đã nói ở trên, do dạng dòng điện hình thang nên động cơ BLDC có nhấp nhô mômen. Ý
tưởng của phương pháp là xây dựng một cách ước lượng, tính toán mới cho các dòng điện pha
(dòng điện sẽ có hình sin) và từ đó điều khiển giữ cho các dòng điện pha này bám được các giá
trị mong muốn. Nhờ đó, momen được đáp ứng và giảm hẳn nhấp nhô mômen.
Mặt khác, ta thấy để mở rộng vùng điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động, các động cơ
thường sử dụng biện pháp giảm từ thông. Ví dụ, động cơ một chiều có thể dễ dàng điều khiển
trên tốc độ cơ bản bằng cách giảm từ thông trong khi giữ điện áp cấp vào ở một giá trị không đổi.
Hay hệ truyền động điều khiển vecto cho động cơ không đồng bộ, giảm từ thông bằng cách giảm
dòng điện sinh từ thông I
d
. Ta cũng sẽ giảm từ thông cho động cơ BLDC bằng cách tạo ra một
dòng điện sinh từ thông I
d
âm (I
d
< 0).
3.2. Cấu hình hệ truyền động:
Hệ thống có thể được chia làm hai thành phần riêng biệt. Thành phần thứ nhất đảm nhận
việc tính toán các dòng điện đặt cho ba pha của động cơ ( thành phần mới ), thành phần thứ hai
là hệ thống mạch vòng điều chỉnh dòng điện, đảm nhận việc điều khiển phát xung điều khiển các
khóa bán dẫn giúp dòng điện pha bám được giá trị đặt ( thành phần giữ nguyên so với phương
pháp truyển thống). Dưới đây là mô hình của hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PVC.
Hình 4. Mô hình hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PVC
a) Thành phần tính toán dòng điện đặt cho ba pha:
Hình 5. Mô hình thành phần tính toán dòng điện đặt cho ba pha

Ta sẽ không ước lượng dòng điện đặt cho ba pha theo dòng điện I
m
* và góc θ như phương
pháp truyền thống mà sẽ ước lượng dựa vào biểu thức tính mômen của động cơ:
Ý tưởng sẽ là: coi T*; E
a
; E
b
; E
c
đã biết trước và từ đó đưa ra i
a
*; i
b
*; i
c
*. Tuy nhiên, ta chỉ có
phương trình (2) với 3 ẩn số. Để giải ta sẽ làm đơn giản phương trình này đi bằng cách chuyển
sang hệ tọa độ d-q. Khi đó, biểu thức tính mômen sẽ có dạng:
Như vậy, các dòng điện đặt i
a
*; i
b
*; i
c
* sẽ được tính toán thông qua các giá trị dòng điện đặt
i
d
*; i
q

* bằng công thức chuyển đổi sau:
Lúc này, nhiệm vụ của ta là xác định i
d
*; i
q
* dựa vào yêu cầu về momen đầu trục T* và tốc
độ động cơ ω theo biểu thức (3). Dựa theo đặc tính làm việc, ta cũng chia làm hai vùng tốc độ để
điều khiển như các động cơ thông thường khác. (Tốc độ cơ bản có giá trị bằng tốc độ định mức
của động cơ).
Hình 6. Đặc tính làm việc của động cơ và giản đồ vector mô tả dòng I
d
* âm
 Dưới tốc độ cơ bản: Ta sẽ điều khiển giữ từ thông không đổi bằng cách giữ cho dòng
điện sinh từ thông I
d
* = 0 (do BLDC cũng là một loại động cơ đồng bộ). Khi đó, ta sẽ
ước lượng được dòng điện sinh mômen I
q
* dựa vào biểu thức (3). Ta có:
 Trên tốc độ cơ bản: Tốc độ động cơ tăng vượt quá tốc độ cơ bản, trong khi mômen không
đổi sẽ dẫn đến tình trạng bão hòa. Vì vậy, ta cần giảm từ thông để tăng tốc độ. Tức là
phải giảm giá trị dòng điện sinh từ thông I
d
*. Tuy nhiên, do I
d
* = 0 nên ta cần tạo ra dòng
I
d
* < 0. Khi đó sẽ tạo ra từ thông âm Ψ
d

= L.I
d
và làm giảm Ψ
f
như trên giản đồ trên.
Theo đề xuất của hai tác giả, ta sử dụng công thức ước lượng sau để tính toán I
d
*:
Khi đó, ta sẽ lại ước lượng được dòng điện sinh mômen I
q
* dựa vào biểu thức (3)
Từ các công thức trên, ta thấy cần phải có các giá trị sức phản điện động E
d
và E
q
. Chúng sẽ
được xác định dựa vào sức phản điện động các pha E
a
, E
b
, E
c
và góc điện θ
e
của động cơ theo
phép biến đổi Park như sau:
Như vậy, để thực hiện thuật toán PVC khi điều khiển động cơ BLDC, có hai nhiệm vụ rất
quan trọng cần thực hiện là đo offline các giá trị sức phản điện động các pha E
a
, E

b
và E
c
và ước
lượng góc điện θ
e
một cách liên tục.
b) Thành phần mạch vòng điều chỉnh dòng điện:
Hình 7. Thành phần mạch vòng điều chỉnh dòng điện
Thành phần này giúp điều khiển chuyển mạch cho các khóa bán dẫn đảm bảo các dòng điện
pha thực bám được giá trị mong muốn (đã được tính toán từ trước). Sai lệch giữa hai đại lượng
sẽ được đưa tới bộ điều khiển dòng điện PI, sau đó các tín hiệu điều khiển thích hợp , , sẽ được
đưa tới bộ điều khiển phát xung PWM. Nhờ đó các xung điều khiển thích hợp được đưa tới các
khóa bán dẫn của mạch nghịch lưu.
Phương pháp điều khiển PVC có điểm khác biệt so với phương pháp FOC là các dòng điện
đặt của phương pháp PVC là các dòng pha i
a
*; i
b
*; i
c
* còn của phương pháp FOC là các dòng
điện i
d
*; i
q
*. Như vậy, phương pháp PVC tuy có sử dụng hệ vector để tính toán các dòng điện
i
d
*; i

q
* nhưng lại không điều khiển nó vì bản chất động cơ BLDC có sức điện động hình thang
nên không thể điều khiển theo hệ tọa độ d-q. Ta bắt buộc phải quy đổi trở lại các giá trị dòng
điện pha để điều khiển cho nên nó mới có tên gọi là điều khiển “giả” vector.
4. Kết quả mô phỏng máy tính:
Cả hai hệ truyền động BLDC trong hình 2 (truyền thống) và hình 4 (PVC) được mô phỏng
thử nghiệm bằng Matlab/Simulink. Mô phỏng thực hiện với hai trường hợp: tốc độ đặt
*
m
ω
=
1000 vòng/phút (dưới tốc độ cơ bản) với mômen tải sau 0,3s bằng với mômen định mức M
đm
=
0,343 Nm và tốc độ đặt
*
m
ω
= 1800 vòng/phút (trên tốc độ cơ bản) với mômen tải sau 0,3s là 0,2
Nm (cần giảm tải vì tăng tốc độ vượt quá tốc độ cơ bản). Ngoài ra, chúng ta cũng xem xét đến
việc sử dụng thuật toán PVC để điều khiển truyền động cho động cơ BLDC ở những vùng tốc độ
cao hơn nữa với tốc độ đặt là
*
m
ω
= 2000 vòng/phút.
a) Thông số động cơ sử dụng để mô phỏng và làm thực nghiệm:
• Biên độ của điện áp cấp vào: V
d
= 36 V

• Điện trở pha: R
s
= 0,8 Ω
• Điện cảm pha: L
s
= 2,14 mH
• Hệ số sức phản điện động: K
e
= 0,018 V/vòng/phút = 0,1719 V/rad/s
• Dòng điện định mức: I
đm
= 2 A
• Mômen định mức: M
đm
= 3,5 kg-cm = 0,343 Nm
• Số đôi cực p
p
= 4
• Đường kính: d = 93 mm
• Đường kính rotor d
r
= 8 mm
• Hệ số mômen:
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-6
-4
-2
0
2
4

6
Stator current Is
a
Time (s)
Stator current Is
a
(A)


Ia ref
Ia
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Stator current Is
a
Time (s)
Stator current Is
a
(A)


Ia ref
Ia

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
0
200
400
600
800
1000
1200
Rotor speed
Time (s)
Rotor speed (rmp)


speed ref
speed
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Electromagnetic torque
Time (s)
Electromagnetic torque (Nm)

Electromagnetic torque
Electromagnetic torque ref
-0 .0 3 -0 .0 2 -0 .0 1 0 0 .0 1 0 .0 2 0 .0 3
-0 .0 3
-0 .0 2
-0 .0 1
0
0 .0 1
0 .0 2
0 .0 3
F lux tra je c to ry
flux a lp ha
flu x b e ta
b) Vùng dưới tốc độ cơ bản ω
đặt
= 1000 (vòng/phút) < ω
cơ bản
= 1500 (vòng/phút):

a. Phương
pháp HCC
b. Phương pháp PVC
Hình 8. Kết quả đặc tính dòng điện
pha a,
momen,
tốc độ
và quỹ đạo từ thông
c) Vùng trên tốc độ cơ bản ω
đặt

=
1800 (vòng/phút) > ω
cơ bản
=
1500 (vòng/phút):
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Electromagnetic torque (Nm)
Time (s)
Electromagnetic torque
-0 .0 6 -0 .0 4 -0 .0 2 0 0 .0 2 0 .0 4 0 .0 6
-0 .0 6
-0 .0 4
-0 .0 2
0
0 .0 2
0 .0 4
0 .0 6
F lu x tra je c to ry
flu x a lp h a
flu x b e ta
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

0
200
400
600
800
1000
1200
Time (s)
Rotor speed (rpm)
Rotor speed
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Stator current Is
a
Time (s)
Stator current Is
a
(A)


Ia ref
Ia

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Electromagnetic torque
Time (s)
Electromagnetic torque (Nm)


Electromagnetic torque
Electromagnetic torque ref
-0.03 -0.0 2 -0.01 0 0.0 1 0 .02 0.03
-0.0 3
-0.0 2
-0.0 1
0
0 .0 1
0 .0 2
0 .0 3
F lux tra je cto ry
flux alp ha
flu x b e ta
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
0
200

400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Rotor speed
Time (s)
Rotor speed (rmp)


speed ref
speed
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Stator current Is
a
Time (s)
Stator current Is

a


Ia ref
Ia
-0 .0 2 5 -0 . 0 2 -0 .0 1 5 -0 .0 1 -0 .0 0 5 0 0 .0 0 5 0 .0 1 0 .0 1 5 0 .0 2 0 .0 2 5
-0 .0 2 5
-0 .0 2
-0 .0 1 5
-0 .0 1
-0 .0 0 5
0
0 .0 0 5
0 .0 1
0 .0 1 5
0 .0 2
0 .0 2 5
F lu x tr a je c to ry
flu x a lp ha
flu x b e ta
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400

1600
1800
2000
Rotor speed
Time (s)
Rotor speed (rmp)


speed ref
speed
0 0.0.5 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Electromagnetic torque
Time (s)
Electromagnetic torque (Nm)


Electromagnetic torque
Electromagnetic torque ref
a. Phương pháp HCC b. Phương pháp PVC
Hình 9. Kết quả đặc tính dòng điện pha a, momen, tốc độ và quỹ đạo từ thông
d) Vùng tốc độ rất cao ω
đặt

= 2000 (vòng/phút) >> ω
cơ bản
= 1500 (vòng/phút):
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Stator current Is
a
Time (s)
Stator current Is
a


Ia ref
Ia
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1

1.2
Electromagnetic torque
Time (s)
Electromagnetic torque (Nm)


Electromagnetic torque
Electromagnetic torque ref
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
Rotor speed
Time (s)
Rotor speed (rmp)
0.4 0.405 0.41 0.415 0.42 0.425 0.43 0.435 0.44 0.445 0.45
0.38
0.4
0.42
0.44
0.46
0.48
0.5
Electromagnetic torque
Time (s)
Electromagnetic torque (Nm)

- 0 .0 2 5 -0 .0 2 -0 .0 1 5 -0 .0 1 -0 .0 0 5 0 0 .0 0 5 0 .0 1 0 .0 1 5 0 .0 2 0 .0 2 5
-0 .0 2 5
-0 .0 2
-0 .0 1 5
-0 .0 1
-0 .0 0 5
0
0 .0 0 5
0 .0 1
0 .0 1 5
0 .0 2
0 .0 2 5
F lux tr a je c to r y
flu x a lp h a
flu x b e ta
Hình 10. Kết quả đặc tính dòng điện pha a, momen, tốc độ và quỹ đạo từ thông
e) Nhận xét:
− Thông thường, quỹ đạo từ thông của động cơ phải có hình tròn, nhưng do sự chuyển
mạch không lý tưởng của dòng điện (6 lần trong 1 chu kỳ) nên quỹ đạo từ thông của động
cơ BLDC có hình cầu 6 “gai” (“bậc” trong 1 chu kì). Việc ước lượng từ thông tại các
“bậc” đó là rất khó khăn, do đó rất khó điều khiển từ thông động cơ BLDC. Việc điều
khiển động cơ BLDC trước đây đều bỏ qua việc điều khiển từ thông của nó. Nhưng với
phương pháp PVC, ý tưởng giảm từ thông bằng cách tạo ra dòng điện I
d
* âm, đã giúp ta
điều khiển được từ thông, và từ đó mở rộng dải điều chỉnh tốc độ.
− Dòng điện các pha có dạng hình sin, không còn hiện tượng chuyển mạch dòng điện. Vì
vậy, quỹ đạo từ thông của động cơ BLDC giờ cũng có hình tròn. Nhấp nhô momen
(torque ripple) vốn là một điểm yếu của động cơ BLDC đã được giảm đi đáng kể, chỉ tồn
tại các nhấp nhô nhỏ do khâu phát xung PWM (hình 11). Nhờ việc này động cơ cũng sẽ

họat động ổn định hơn và bớt tiếng ồn.
a. Phương pháp HCC
b. Phương pháp PVC
0.4 0.405 0.41 0.415 0.42 0.425 0.43 0.435 0.44 0.445 0.45
0.36
0.38
0.4
0.42
0.44
0.46
0.48
0.5
0.52
0.54
Nhap nho do
chuyen mach dong dien
Nhap nho do PWM
Hình 11. Nhấp nhô mômen (torque ripple)
− Tuy nhiên, thuật toán vẫn còn một vấn đề cần khắc phục. Đó là do công thức ước lượng
dòng điện I
d
* âm chưa tuyệt đối, mà chỉ là công thức kinh nghiệm. Nên tại vùng tốc độ
cao hơn, dòng điện stator sẽ bị pick lên như trong hình 10.Điều này cũng khiến cho giá trị
dòng điện và mômen không bám theo lượng đặt mong muốn.
5. Kết quả khi triển khai mạch thực:
6. Kết luận: