Điều khiển động cơ BLDC bằng phương pháp giả vector PVC

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN
- Tên đề tài: Điều khiển động cơ BLDC bằng phương pháp giả vector PVC.
- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Tạ Cao Minh.
- Nhóm sinh viên:
1. Cao Bá Đại, lớp TĐH2, SHSV: 20060693
2. Nguyễn Bảo Trung, lớp TĐH1, SHSV: 20063345
3. Đoàn Minh Hùng, lớp TĐH1, SHSV: 20061445
4. Đỗ Trung Kiên, lớp TĐH2, SHSV: 20061698
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu thuật toán “Điều khiển giả vector” (Pseudo
Vector Control - PVC) để động cơ BLDC.
Hình 1. Mô hình điều khiển theo phương pháp PVC
- Đặc điểm kỹ thuật chủ yếu: Xây dựng một cách ước lượng mới cho các dòng điện đặt ba pha,
loại bỏ hiện tượng chuyển mạch dòng điện tức thời, giúp giảm sự đập mạch momen thường
thấy ở động cơ BLDC. Thêm vào đó là khả năng điều khiển giảm từ thông, giúp mở rộng
vùng điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động BLDC.
- Ứng dụng: Những hệ thống đòi hỏi chất lượng mômen cao như ô tô điện, máy công cụ, hoặc
yêu cầu dải điều chỉnh tốc độ rộng (vượt quá tốc độ cơ bản).
- Cụ thể ở đề tài này là áp dụng điều khiển động cơ truyền động cho ô tô điện.
- Nhiệm vụ nghiên cứu: 1. Nghiên cứu thuật toán điều khiển giả vector PVC; 2. Kiểm nghiệm
thuật toán qua mô phỏng; 3.Thử nghiệm thuật toán trên mạch thực.
MỤC LỤC
NỘI DUNG
1. Tóm tắt
2. Cơ sở lý thuyết
3. Phương pháp PVC
4. Giảm nhấp nhô mômen
5. Mở rộng vùng làm việc
6. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo
TÀI LIỆU THAM KHẢO
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 bởi
Phó Giáo sư - Tiến sĩ Tạ Cao Minh. Thuật toán 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 hợp khi áp dụng cho hệ thống truyền động xe ô tô điện
do cấu trúc nhỏ gọn cũng như các ưu điểm trên.
2. Cơ sở lý thuyết:
2.1. Giới thiệu về động cơ BLDC:
120
0
ω
t
0
e, i
E
I
Hình 2. Cấu tạo động cơ BLDC
Động cơ BLDC (Brushless DC motor - động cơ một chiều không chổi than) là động cơ đồng
bộ với nam châm vĩnh cửu trên rotor và các cuộn dây trên stato. Động cơ BLDC chạy bằng nguồn
điện một chiều và có hệ thống chuyển mạch điện tử thay thế cho vành góp và chổi than như ở
động cơ một chiều thông thường. Động cơ tích hợp thiết bị đo để xác định vị trí của rotor (hay vị
trí cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử.
Một điểm đáng chú ý là động cơ BLDC có sức phản điện động hình thang (Hình 3). Vì vậy,
động cơ BLDC có nhiều ưu điểm như: 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.
Hình 3. Dạng sức phản điện động và dòng điện của động cơ BLDC
2.2. Điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp truyền thống:
Hình 4. Hệ điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp truyền thống
Điểm cơ bản của phương pháp truyền thống là các dòng điện đặt ba pha có giá trị bằng dòng
điện đặt tổng i

m
* và có các góc pha xác định từ cảm biến Hall (6 lần/chu kỳ). Điều này khiến cho
dòng điện đặt các pha sẽ có dạng hình chữ nhật. Tuy nhiên, dòng điện thực tế không có dạng chữ
nhật lý tưởng. Tại các thời điểm chuyển mạch dòng điện, sự giảm dòng điện luôn chậm hơn sự
tăng dòng điện, nên tổng dòng điện ba pha khác 0. Như vậy, xuất hiện thành phần xung dòng điện
(dòng “peak”) gây nhấp nhô mômen tại thời điểm chuyển mạch.
0.312 0.314 0.316 0.318 0.32 0.322 0.324 0.326 0.328
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
Current


0.312 0.314 0.316 0.318 0.32 0.322 0.324 0.326 0.328
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
Time (s)
Torque


Ia
Ib

Ic
Hình 5. Dạng dòng điện và mômen khi điều khiển theo phương pháp truyền thống
3. Phương pháp PVC:
Chuyển mạch dòng điện
Nhấp nhô mômen
Việc giảm nhấp nhô mômen do chuyển mạch dòng điện, hay san bằng đặc tính mômen đầu ra
của BLDC là một vấn đề quan trọng. Vì vậy, nghiên cứu tập trung chủ yếu vào vấn đề này. Sau
khi nghiên cứu, mô phỏng và thực nghiệm thuật toán PVC vào điều khiển động cơ BLDC, ta thấy
đã khắc phục được nhược điểm trên.
3.1. Ý tưởng của phương pháp:
Tư tưởng của phương pháp là xây dựng một cách ước lượng mới cho các dòng điện đặt ba
pha, loại bỏ hiện tượng chuyển mạch dòng điện tức thời, giúp giảm sự đập mạch momen thường
thấy ở động cơ BLDC. Thêm vào đó là khả năng điều khiển giảm từ thông, giúp mở rộng vùng
điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động BLDC bằng cách tạo ra dòng điện sinh từ thông i
d
âm (i
d
<
0).
Hình 7. Mô hình điều khiển theo phương pháp PVC
Ta thấy rõ mô hình điều khiển theo phương pháp PVC có khối ước lượng dòng điện đặt cho
ba pha (được khoanh nét đứt) khác hẳn so với mô hình điều khiển truyền thống trên Hình 4. Thông
tin về dòng điện được tính toán dựa vào đầy đủ tính chất của động cơ bao gồm: yêu cầu (T*), đặc
trưng của động cơ (e
a
; e
b
; e
c
) và cả trạng thái hoạt động của động cơ (ω

m
). Cách ước lượng mới
này có lẽ sẽ tốt hơn cách ước lượng trước đây.
a) Phương pháp PVC
b) Phương pháp điều khiển vector
Hình 8. Khối điều khiển dòng điện
Cần chú ý rằng khối điều khiển dòng điện của phương pháp PVC có sự khác biệt so với
phương pháp FOC. Phương pháp PVC chuyển lượng đặt dòng điện từ dqabc, rồi điều khiển
dòng ba pha. Còn phương pháp FOC điều khiển dòng dq, rồi chuyển lượng đặt điện áp từ dqabc
để điều khiển PWM. Như vậy, trong phương pháp PVC, các đại lượng được tính toán trong hệ tọa
độ dq nhưng điều khiển trong hệ tọa độ ba pha abc nên nó mới có tên gọi là điều khiển “giả”
vector.
Động cơ có sức phản điện động hình sin, các dòng điện i
d
*; i
q
* qua phép biến đổi Park có
dạng một chiều nên dễ điều khiển. Trong khi động cơ BLDC có sức phản điện động hình thang,
qua phép biến đổi Park, các dòng điện i
d
*; i
q
* có dạng bậc 6, không thể điều khiển được. Vì thế, ta
bắt buộc phải quy đổi trở lại các giá trị dòng điện pha để điều khiển.
3.2. Cách ước lượng mới:
Hình 9. Khối ước lượng mới cho dòng điện đặt 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:

Coi các thành phần 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 với
một phương trình (2) mà phải tìm 3 ẩn số nên ta sẽ làm đơn giản phương trình này 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 đặt T*, tốc độ động
cơ ω
m
và sức phản điện động e
d
; e
q
theo biểu thức (3).
Do động cơ BLDC là động cơ đồng bộ nên i
d
* = 0. Thay vào biểu thức (3) ta có:
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, có hai nhiệm vụ rất quan trọng cần thực hiện:
• Đo offline các giá trị sức phản điện động các pha e
a

, e
b
và e
c

• Ước lượng góc điện θ
e
một cách liên tục.
4. Giảm nhấp nhô mômen:
4.1. Kiểm chứng bằng mô phỏng:
Ta sẽ kiểm chứng việc giảm nhấp nhô mômen khi điều khiển động cơ BLDC tại vùng tốc độ
thấp. Mô phỏng thực hiện với trường hợp: tốc độ đặt
*
m
ω
= 1000 vòng/phút (dưới tốc độ cơ bản) và
mômen tải sau 0,3s bằng với mômen định mức M
đm
= 0,343 Nm.
a) Thông số động cơ do nhà sản xuất cung cấp:
• Điện áp nguồn: V
d
= 36 VDC
• Điện trở pha: R
s
= 0,8 Ω
• Điện cảm pha: L
s
= 2,14 mH
• Hệ số sức phản điện động: K

e
= 0,1719 V/rad/s
• Dòng điện định mức: I
đm
= 2 A
• Mômen định mức: M
đm
= 0,343 Nm
• Số đôi cực p
p
= 4
• Đường kính: d = 93 mm
• Đường kính rotor d
r
= 8 mm
• Hệ số mômen: K
m
= 0,1715 Nm/A
b) Mô hình mô phỏng:
Hình 10. Mô hình mô phỏng phương pháp điều khiển PVC
Hình 11. Khối ước lượng dòng điện đặt cho ba pha theo thuật toán PVC
c) Kết quả mô phỏng:
a. Phương pháp truyền thống
b. Phương pháp PVC
Hình 12. Kết quả đặc tính dòng điện pha a, momen và quỹ đạo từ thông
d) Nhận xét:
− Khi điều khiển theo phương pháp truyền thống, dòng điện các pha có dạng hình chữ nhật
không lý tưởng, gây nhấp nhô mômen lớn tại các thời điểm chuyển mạch. Ngoài ra, cũng
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 6 “gai” (“bậc”) trong 1 chu kì.

0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336 0.338 0.34
-3
-2
-1
0
1
2
3
S tato r current Is
a
Time (s)
0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336 0.338 0.34
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
Electromagnetic torque
Time (s)
0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336 0.338 0.34
-3
-2
-1
0
1
2
3
Stator current Is
a
Time (s)

- 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 l u x t r a j e c t o r y
f l u x b e t a ( W b )
f l u x a l p h a ( W b )
0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336 0.338 0.34
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
Electromagnetic torque
Time (s)
- 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 l u x t r a j e c t o r y
f l u x a l p h a ( W b )
f l u x b e t a ( W b )

− Khi điều khiển theo phương pháp PVC, dòng điện có dạng gần giống 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. Nhờ việc
này động cơ họat động ổn định hơn và bớt tiếng ồn.
4.2. Triển khai trên mạch thực:
a) Đặt vấn đề:
Sau khi tiến hành kiểm nghiệm bằng mô phỏng, thuật toán PVC đã giúp giảm nhấp nhô
mômen do chuyển mạch dòng điện. Ta tiến hành áp dụng thuật toán trên động cơ thực để kiểm
chứng hiệu quả làm việc của động cơ, cũng như xem sau khi giảm nhấp nhô mômen, động cơ có
hoạt động tốt và bớt tiếng ồn không.
b) Mạch nguyên lý:
R 2 3 6 . 8 R / 2 W
C 3 9 C 1 0 4
C 4 0 C 1 0 4
C 4 1 C 1 0 4
U 8
A C S 7 1 2
+ I p
1
+ I p
2
- I p
3
- I p
4
G N D
5
F I L T E R
6

V i o u t
7
V C C
8
P h a s e B
P h a s e B _ I b
V C C _ 5 V
I b _ S e n s o r
C 3 7
0 . 1 u F
C 3 8
1 n F
S 1
R 3 1
6 . 8 R / 2 W
n g u o n a b c d a t
C 4 2 C 1 0 4
S 3
C 4 3 C 1 0 4
S 5
C 4 4 C 1 0 4
U 1
I R 2 1 0 3
V C C
1
H I N
2
L I N
3
C O M

4
L O
5
V S
6
H O
7
V B
8
P h a s e A
M C L R *
1
E M U D 3 / A N 0 / V r e f + / C N 2 / R B 0
2
E M U C 3 / A N 1 / V r e f - / C N 3 / R B 1
3
A N 2 / S S 1 / C N 4 / R B 2
4
A N 3 / I N D X / C N 5 / R B 3
5
A N 4 / Q E A / I C 7 / C N 6 / R B 4
6
A N 5 / Q E B / I C 8 / C N 7 / R B 6
7
A N 6 / O C F A / R B 6
8
A N 7 / R B 7
9
A N 8 / R B 8
1 0

V D D
1 1
V S S
1 2
O S C 1 / C L K I N
1 3
O S C 2 / C L K O / R C 1 5
1 4
E M U D 1 / S O S C I / T 2 C K / U 1 A T X / C N 1 / R C 1 3
1 5
E M U C 1 / S O S C O / T 1 C K / U 1 A R X / C N 0 / R C 1 4
1 6
F L T A / I N T 0 / R E 8
1 7
E M U D 2 / O C 2 / I C 2 / I N T 2 / R D 1
1 8
O C 4 / R D 3
1 9
V S S
2 0
A V D D
4 0
A V S S
3 9
P W M 1 L / R E 0
3 8
P W M 1 H / R E 1
3 7
P W M 2 L / R E 2
3 6

P W M 2 H / R E 3
3 5
P W M 3 L / R E 4
3 4
P W M 3 H / R E 5
3 3
V D D
3 2
V S S
3 1
C 1 R X / R F 0
3 0
C 1 T X / R F 1
2 9
U 2 R X / C N 1 7 / R F 4
2 8
U 2 T X / C N 1 8 / R F 5
2 7
P G C / E M U C / U 1 R X / S D I 1 / S D A / R F 2
2 6
P G D / E M U D / U 1 T X / S D O 1 / S C L / R F 3
2 5
S C K 1 / R F 6
2 4
E M U C 2 / O C 1 / I C 1 / I N T 1 / R D 0
2 3
O C 3 / R D 2
2 2
V D D
2 1

P h a s e B
P h a s e C
R 2 7
5 6 0 R
D 9
L E D
C 2 8
C 1 0 4
C 2 9
C 1 0 4
D 8
L E D
C 3 0
C 1 0 4
D 7
L E D
R 2 6
5 6 0 R
J 1 6
C O N 5
1
2
3
4
5
Chiet ap
5 K
V C C _ 5 V
D a t t o c d o
Phan luc

( C h i e t a p )
D a t t o c
d o
Khoi driver
V C C _ 5 V
C 1 0
1 0 u F
V C C _ 1 5 V
V C C _ 1 5 V
Khoi cam bien
V C C _ 1 5 V
L E D - S T A
G 3
G 4 G 2
G 5
G 6
P h a s e B _ I bP h a s e A _ I a
V C C _ M o t o r
V 1
I R F 6 4 0
V 3
I R F 6 4 0
V 5
I R F 6 4 0
V 4
I R F 6 4 0
I a _ S e n s o r
V 6
I R F 6 4 0
V 2

I R F 6 4 0
G 1
I b _ S e n s o r
S 5
S 1
M C L R
U 3
I R 2 1 0 3
V C C
1
H I N
2
L I N
3
C O M
4
L O
5
V S
6
H O
7
V B
8
R 2 4 6 . 8 R / 2 W
C 1 4
1 0 u F
S T A R T / S T O P
R 2 8
5 6 0 R

D 1 1
1 N 4 1 4 8
1 2
R 2 5 6 . 8 R / 2 W
H A L L _ B
P W M 1 H
H A L L _ A
V C C _ 5 V
P W M 1 L
G N D
P W M 2 L
P W M 2 H
H A L L _ C
G N D
O S C 1
P W M 3 HO S C 2
P W M 3 L
V C C _ 5 V
S 3
V C C _ 5 V
R 3 2 6 . 8 R / 2 W
U 6
I R 2 1 0 3
V C C
1
H I N
2
L I N
3
C O M

4
L O
5
V S
6
H O
7
V B
8
G N D
D 1 2
1 N 4 1 4 8
1 2
C 1 2
1 0 u F
P W M 1 H
P W M 1 L
G N D
P W M 2 L
V C C _ 5 V
P W M 2 H
D a t t o c d o
P h a s e C
P W M 3 L
D 1 3
1 N 4 1 4 8
1 2
V C C _ 5 V
P W M 3 H
K h o i V i X u L y

P G C
P G D
J 1 9
C h a n c a m m o t o r
1
2
3
R 3 3 6 . 8 R / 2 W
U 7
A C S 7 1 2
+ I p
1
+ I p
2
- I p
3
- I p
4
G N D
5
F I L T E R
6
V i o u t
7
V C C
8
R 3 4
5 0
G 1
G 3

F 2
F U S E
1 2
G 6
C 1 3
1 0 u F
G 5
P h a s e A _ I a
G 2
P h a s e A
I a _ S e n s o r
G 4
C 1 5
1 0 u F
V C C _ 5 V
C 3 5
0 . 1 u F
C 1 6
1 0 u F
H A L L _ C
C 3 6
1 n F
H A L L _ B
H A L L _ A
Hình 13. Mạch lực và mạch điều khiển
c) Các mạch đo:
− Mạch đo sức phản điện động
Để thực hiện được phương pháp điều khiển PVC, chúng ta cần thông tin về sức phản điện
động của động cơ trong quá trình động cơ đang làm việc. Do đó, ta tiến hành đo offline giá trị sức
phản điện động này tại một tốc độ cố định rồi nội suy ra các giá trị tương ứng ở các tốc độ khác.

Ta có mối quan hệ giữa các sức phản điện động theo tốc độ như sau:
− Mạch đo dòng điện các pha động cơ:
Để thực hiện mạch vòng điều chỉnh dòng điện, đáp ứng tốt mômen tải ta cần thông tin về dòng
điện thực của động cơ. Có nhiều phương pháp để đo được dòng điện này, trong hệ thống này
chúng ta sử dụng 2 IC đo dòng ACS712 để đo dòng điện thực của pha a và pha c của động cơ.
Dòng điện pha b có thể suy ra dễ dàng từ công thức: .
d) Mô hình thực nghiệm:
Hình 14. Mô hình thực nghiệm
Hình 15. Mạch điều khiển và động cơ BLDC
e) Kết quả thu được:
− Đã tiến hành điều khiển được động cơ theo phương pháp điều khiển truyền thống tại vùng
tốc độ thấp ( ω
đặt
= 500 vòng/phút). Ngoài ra, khi thay đổi lượng đặt tốc độ bằng biến trở
thì hệ truyền động vẫn đáp ứng tốt.
0 20 40 60 80 100 120
0
100
200
300
400
500
600
Hình 16. Kết quả tốc độ gửi từ mạch lên
− Tiến hành đo được sức phản điện động cho ba pha. Từ đó, tính toán được dòng điện đặt
cho ba pha đưa vào bộ điều khiển dòng.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
-2
-1.5
-1

-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Hình 17. Kết quả ước lượng dòng điện đặt
− Tiến hành ước lượng được góc theta một cách liên tục theo biểu thức . Trong đó, ω là tốc
độ tại mỗi thời điểm, còn t là chu kì trích mẫu. Ngoài ra, giá trị θo sẽ được cập nhật liên tục
6 lần trong một chu kì (tại các thời điểm chuyển mạch).
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Hình 18. Kết quả ước lượng góc theta
f) Vấn đề còn tồn tại:
− Chưa giải quyết được bộ điều khiển dòng điện khi đưa giá trị ước lượng mới cho dòng điện
đặt ba pha.
5. Mở rộng vùng làm việc:
5.1. Vấn đề còn tồn tại:
Một nhược điểm nữa của hệ điều khiển truyền thống là động cơ BLDC chỉ làm việc ở vùng
dưới tốc độ cơ bản. Trong năm 1995, C. C. Chan cho ra “nguyên lý dịch pha” để giải quyết vấn đề
này cho động cơ BLDC [2].
Phương pháp này đề cập tới 2 dạng điện từ trong dây cuốn của động cơ BLDC.Một là sức

phản điện động e (BEMF) được cảm ứng bởi từ trường quét do nam châm vĩnh cửu. Hai là sức
biến thiên điện động
di
L
dt
(TEMF) được cảm ứng bởi sự biến thiên dòng điện stator trong dây
cuốn. Dưới tốc độ cơ bản, động cơ BLDC được điều khiển như truyền thống. Khi làm việc trên tốc
độ cơ bản, dòng điện pha sẽ khống chế sức phản điện động. Tức là TEMF được sử dụng để chống
lại BEMF. Điều này tương đương với phương pháp giảm từ thông cho hệ truyền động động cơ
một chiều.
Tuy nhiên, tại vùng trên tốc độ cơ bản, vì công suất của động cơ BLDC là một giá trị giới hạn,
mômen sẽ phải giảm tỷ lệ với tốc độ theo đường cong giới hạn công suất bd như trên Hình 19.
Nhưng thực tế, hệ truyền động truyền thống chỉ làm việc trên đường cong bef, mà không thể làm
việc trên đường cong giới hạn công suất do sự bão hòa điện áp.
Hình 19. Điểm làm việc của động cơ BLDC
Phương trình 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 M
1
, sức
phản điện động giảm xuống. Trong khi đó, sức phản điện động tỷ lệ với tốc độ động cơ, nên tốc
độ động cơ chỉ đạt ω
2
< ω
1
) như điểm e trên Hình 19. Tương tự, nếu chúng ta muốn động cơ làm
việc ở vùng tốc độ cao hơn ω
1
, mômen đầu ra của động cơ không thể tăng như yêu cầu M
2
< M

1
(điểm f trên hình 19). Do điểm làm việc e, f nằm dưới đường cong giới hạn công suất, tổng công
suất của động cơ không thể được sử dụng tối đa.
5.2. Thuật toán PVC giúp mở rộng vùng làm việc:
Để mở rộng vùng điều chỉnh tốc độ của hệ truyền động, người ta thường sử dụng biện pháp
giảm từ thông. Với động cơ một chiều có thể dễ dàng điều khiển động cơ này trên tốc độ cơ bản
bằng cách giảm từ thông trong khi giữ điện áp cấp vào ở một giá trị không đổi. Với hệ điều khiển
vector cho động cơ không đồng bộ, ta giảm từ thông bằng cách giảm dòng điện sinh từ thông i
d
.
Chính vị vậy, thuật toán PVC đề xuất ý tưởng giảm từ thông cho động cơ BLDC bằng cách
tạo ra một dòng điện sinh từ thông i
d
âm (i
d
< 0) giúp mở rộng vùng làm việc.
Hình 20. Mô hình thành phần tính toán dòng điện đặt cho ba pha
Lúc này, nhiệm vụ của ta là xác định i
d
*; i
q
* dựa vào yêu cầu về momen đặt T*, tốc độ động
cơ ω
m
và sức phản điện động e
d
; e
q
theo biểu thức:
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 21. Đặc tính làm việc của động cơ
 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 (BLDC là động cơ đồng bộ)
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 Hình 22.
Hình 22. Giản đồ vector mô tả dòng i
d
* âm
Do đường cong giới hạn công suất có dạng giống hàm cos, nên 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
*
5.3. Kiểm chứng bằng mô phỏng:
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) Vùng trên tốc độ cơ bản ω
đặt

= 1800 (vòng/phút) > ω
cơ bản
= 1500 (vòng/phút):
a. Phương pháp HCC b. Phương pháp PVC
Hình 23. Kết quả đặc tính dòng điện pha a, momen, tốc độ
 Nhận xét:
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
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
-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
-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
-200
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

0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Rotor speed
Time (s)
Rotor speed (rmp)


speed ref
speed
− Không thể điều khiển động cơ BLDC ở vùng tốc độ cao theo phương pháp truyền thống.
Các giá trị dòng điện, mômen và tốc độ đều không bám được theo lượng đặt.
− Khi điều khiển theo phương pháp PVC, các giá trị dòng điện, mômen và tốc độ đều bám
được theo lượng đặt bởi lúc này chúng ta đã điều khiển giảm từ thông.
-0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03

Flux trajectory
flux beta (Wb)
flux alpha (Wb)


Duoi co ban
Tren co ban
Hình 24. Giảm từ thông khi điều khiển tại vùng tốc độ cao
− Như ta thấy, khi điều khiển tại vùng trên tốc độ cơ bản, bán kính quỹ đạo từ thông nhỏ hơn
khi điều khiển tại vùng tốc độ thấp. Chứng tỏ việc điều khiển được từ thông động cơ.
b) 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
0
500
1000
1500
2000
2500
Rotor speed
Time (s)
Rotor speed (rmp)
Hình 25. Đặc tính tốc độ
0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336 0.338 0.34
0.3
0.35
0.4

0.45
0.5
0.55
Electromagnetic torque
Time (s)
0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336 0.338 0.34
-3
-2
-1
0
1
2
3
Stato r current Is
a
Time (s)
0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336 0.338 0.34
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Stator current Is
a
Time (s)
a

) Vùng ω
đặt
= 2000 (vòng/phút) b) Vùng ω
đặt
= 1000 (vòng/phút)
Hình 26. Kết quả đặc tính dòng điện pha a và momen
− Nhận xét: Tại vùng tốc độ cao hơn, dòng điện stator sẽ bị peak lên.Điều này cũng khiến
cho giá trị dòng điện và mômen không bám theo lượng đặt mong muốn.
6. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo:
6.1. Đánh giá thuật toán PVC:
a) Ưu điểm:
− Dòng điện đặt liên tục và mang nhiều thông tin hơn về tính chất của động cơ: yêu cầu
(T*), đặc trưng của động cơ (E
a
; E
b
; E
c
) và cả đại lượng cần điều khiển (ω
m
). Giúp loại
bỏ nhấp nhô mômen do chuyển mạch dòng điện. Điều này sẽ giúp cho động cơ họat
động ổn định và bớt tiếng ồn.
− Trước đây, việc ước lượng từ thông tại các thời điểm chuyển mạch 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.

 Nhược điểm:
− 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 tối ưu, mà chỉ là công thức kinh nghiệm.
− Dòng điện stator bị peak và mômen chưa bám theo lượng đặt tại vùng tốc độ cao hơn.
6.2. Đánh giá thuật toán PVC:
− Đối với việc nghiên cứu thuật toán điều khiển PVC, nhóm tiếp tục tìm cách ước lượng
tối ưu hơn cho dòng điện Id* âm tại vùng tốc độ cao.
− Đối với việc triển khai mạch, tiến hành cải tiến và hoàn thiện mạch điều khiển động cơ
BLDC ứng dụng thuật toán PVC tại vùng tốc độ thấp.
0.32 0.322 0.324 0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336 0.338 0.34
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
Electromagnetic torque
Time (s)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] CaoMinh Ta, “Novel wide range speed control of permanent magnet brushless motor drives”,
IEEE Trans. Power Electron, vol. 10, pp. 539 - 546, 1995.
[1] C. C. Chan, J. Z. Jiang, W. Xia and K. T. Chau, “Novel wide range speed control of
permanent magnet brushless motor drives”, IEEE Trans. Power Electron, vol. 10, pp. 539 - 546,
1995.
Phase Advance Approach to Expand the Speed Range of Brushless DC Motor