Điều khiển tốc độ không dùng cảm biến trong động cơ PMSM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

PHAN TRỌNG NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ KHÔNG DÙNG CẢM
BIẾN TRONG ĐỘNG CƠ PMSM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

PHAN TRỌNG NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ KHÔNG DÙNG CẢM
BIẾN TRONG ĐỘNG CƠ PMSM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƢƠNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2016


CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN THANH PHƢƠNG

Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 12 tháng 03 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT
1
2
3
4
5

Họ và tên
PGS.TS Trần Thu Hà
TS. Huỳnh Châu Duy
TS. Trƣơng Đình Nhơn
TS. Trần Thanh Phƣơng
TS. Dƣơng Thanh Long

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2

Ủy viên
Ủy viên, Thƣ ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đƣợc
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 20..…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phan Trọng Nghiệp

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 23/02/1985

Nơi sinh: Thừa Thiên Huế

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV: 1441830016

I- Tên đề tài:
Điều khiển tốc độ không dùng cảm biến trong động cơ PMSM

II- Nhiệm vụ và nội dung:
 Tìm hiểu các phƣơng pháp điều khiển PMSM bằng phƣơng pháp điều khiển
FOC
 Mô hình hóa mô phỏng điều khiển PMSM bằng phần mềm
MATLAB/SIMULINK bằng phƣơng pháp điều khiển không cảm biến.
 Thực nghiệm điều khiển PMSM bằng phần mềm MATLAB/SIMULINK
bằng phƣơng pháp điều khiển không cảm biến với bộ quan sát vận tốc và vị
trí dựa theo điều khiển trƣợt.
III- Ngày giao nhiệm vụ: ngày ….. tháng ….. năm 20 …
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ngày ….. tháng ….. năm 20 …
V- Cán bộ hƣớng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…

Phan Trọng Nghiệp


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương, người đã
tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện quyển luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện- Điện Tử trường Đại Học
Công Nghệ TP.HCM, các cán bộ phòng Đào Tạo đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt
quá trình học tập và trong quá trình hoàn thành quyển luận văn này.
Tôi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện
để tôi hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở bên tôi và động
viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này.

Phan Trọng Nghiệp


iii

TÓM TẮT
Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được sử dụng rộng rãi trong các
ứng dụng công nghiệp bởi các ưu điểm vượt trội so với các động cơ khác đó là hiệu
suất cao, mật độ công suất cao, có vùng công suất không đổi lớn. Để đạt được hiệu suất
cao trong điều khiển hướng từ thông thì thông tin chính xác về vị trí rotor, thường được
đo bằng các các bộ bộ mã hóa và các bộ phân tích, là không thể thiếu. Tuy nhiên, việc
sử dụng các cảm biến sẽ làm tăng giá thành, kích thước, khối lượng và làm phức tạp hệ
thống dây điện và sẽ giảm đi sức mạnh động cơ và giảm độ tin cậy của toàn hệ thống
truyền động PMSM. Mục đích của nghiên cứu trong luận văn là phát triển một hệ
thống điều khiển không cảm biến vận tốc rotor nhằm thay thế cho phương pháp điều
khiển có cảm biến thông thường.
Trong vấn đề này đã có nhiều phương pháp điều khiển không cảm biến khác nhau
được đề xuất. Với dãy tốc độ trung bình và nhanh, bộ tính toán vị trí dựa trên bộ quan

sát giống chế độ trượt được đề xuất để ghi nhận thông tin vị trí rotor. Trong vùng vận
tốc thấp, bộ giám sát theo dõi cực lồi thường được sử dụng để tính toán vị trí rotor cho
các động cơ PMSM cực lồi. Trong các phương pháp được đề xuất, mỗi phương pháp
được áp dụng cho mỗi dãy vân tốc khác nhau. Đối với các động cơ PMSM có yêu cầu
dãy vận tốc vận hành rộng thì đây là một bất lợi. Luận văn đề xuất áp dụng bộ giám sát
trượt vào việc ước lượng vận tốc/vị trí của rotor trong luận văn sẽ giảm được nhược
điểm sai số trong quá trình tính toán ở các dãy vận tốc khác nhau.
Điều khiển không cảm biến được đề xuất cung cấp một giải pháp hiệu quả để giải
quyết các vấn đề phát sinh trong việc sử dụng cảm biến vị trí trong hệ thống điều khiển
PMSM. Đầu tiên, nó cung cấp một thay thế cho các phương pháp điều khiển dựa trên
cảm biến hiện tại cho PMSM với giảm chi phí, kích thước, trọng lượng, và độ phức tạp
phần cứng. Thứ hai, nó có thể được sử dụng như là một bổ sung (sao lưu) trong các hệ
thống điều khiển dựa trên cảm biến khi hỏng cảm biến xảy ra. Hơn nữa, các ước tính vị
trí/tốc độ rotor và trạng thái biến số của các PMSM có thể được sử dụng để theo dõi


iv

tình trạng của các cảm biến vị trí và các thành phần khác trong hệ thống truyền động
PMSM
Ngoài ra luận văn sử dụng các bộ điều khiển PI với các phương pháp thiết kế bộ
PI số khác nhau như Euler Forward, Euler Backward, Tustin trong điều khiển vận tốc
PMSM nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của các phương pháp điều khiển số khác nhau vào
quá trình điều khiển vận tốc động cơ PMSM.


v

ABSTRACT
Permanent-magnet synchronous machines (PMSMs) are widely used in industrial

applications owing to their distinctive advantages, such as high efficiency, high power
density, and wide constant power region. To achieve high-performance field oriented
control, accurate rotor position information, which is usually measured by rotary
encoders or resolvers, is indispensable. However, the use of these sensors increases the
cost, size, weight, and wiring complexity and reduces the mechanical robustness and
the reliability of the overall PMSM drive systems. The goal of the research for this
dissertation was to develop a rotor position/speed sensorless control system with
performance comparable to the sensor-based control systems for PMSMs over their
entire operating range.
In this work, different sensorless control methods were developed for different
speed regions. In the medium and high speed regions, quasi-sliding-mode observer
based position estimators were proposed to obtain rotor position information. In the
low-speed region, saliency tracking observers are commonly used for rotor position
estimation of salient-pole PMSMs. Among proposed approachs, each approach was
applied for a specification speed region. For wide speed region PMSM, which can
operate in the wide speed region, there are the limitation for conventional methods. The
thesis proposed using sliding-mode observer for rotor position/speed estomation due to
reduce limitation of different approach.
The proposed sensorless control offers an effective means to solve the problems
incurred in using position sensors in PMSM control systems. Firstly, it provides an
alternative to existing sensor-based controls for PMSMs with reduced cost, size,
weight, and hardware complexity. Second, it can be used as a supplementary (backup)
function in the sensor-based control systems, when the sensor failure occurs.
Moreover, the estimated rotor position and speed and other state variables of the


vi

PMSMs can be used for condition monitoring of the position sensors and other
components in the PMSM drive system.

In addition, the thesis use PI regulator with different PI regulator design methods
such as Euler Forward, Euler Backward, Tustin for PMSM speed control for evaluating
the effection of different digital signal processing to PMSM speed control.


vii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii
TÓM TẮT ...................................................................................................................... iii
MỤC LỤC ......................................................................................................................vii
MỤC LỤC CÁC HÌNH ................................................................................................... x
Chương 0: GIỚI THIỆU .................................................................................................. 1
I. Đặt vấn đề ..................................................................................................................... 1
II. Mục tiêu của luận văn.................................................................................................. 2
III. Nhiệm vụ của luận văn ............................................................................................... 3
IV. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................... 4
V. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 4
VI. Điểm mới của luận văn .............................................................................................. 4
VII. Giá trị thực tiễn của đề tài ........................................................................................ 5
Chương 1: TỔNG QUAN ................................................................................................ 6
1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu PMSM ........................................................... 6
1.2 Ứng dụng truyền động của PMSM ............................................................................ 7
1.3 Vật liêu làm nam châm vĩnh cửu ............................................................................... 9
1.4 Phương trình toán của PMSM .................................................................................. 11
1.4.1 Phương trình toán trong miền pha abc.............................................................. 11
1.4.2 Phương trình trong hệ tọa độ trực giao dq0 ...................................................... 16
1.5 Bộ điều khiển vector không gian ............................................................................. 18
1.6 Điều khiển vector không gian không cảm biến vị trí rotor của điều khiển PMSM . 20

1.7 Hướng nghiên cứu của luận văn............................................................................... 21
Chương 2: ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC PMSM KHÔNG CẢM BIẾN ........................... 23
2.1 Kỹ thuật ước lượng vị trí/vận tốc rotor cho PMSM ................................................. 23
2.1.1 Phương pháp cảm biến vị trí gián tiếp .............................................................. 24


viii

2.1.2 Phương pháp dựa trên mô hình ......................................................................... 26
2.1.2.1 Mô hình động của PMSM thường gặp ...................................................... 27
2.1.2.2 Tính toán vòng hở ..................................................................................... 29
2.1.2.3 Bộ quan sát vòng kín ................................................................................. 32
2.2 Bộ điều khiển PI trong điều khiển số ....................................................................... 36
2.2.1 Giới thiệu bộ điều khiển PI ................................................................................... 36
2.2.1.1 Giới thiệu ................................................................................................... 36
2.2.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của bộ điều khiển PI ............................. 37
2.2.2 Biểu thức trong miền thời gian t ....................................................................... 39
2.2.3 Biểu thức trong miền liên tục s ......................................................................... 40
2.2.4 Biểu thức trong miền rời rạc z .......................................................................... 40
2.2.4.1 Biểu thức U(s) trong miền rời rạc z theo Euler ......................................... 41
2.2.4.2 Biểu thức U(s) trong miền rời rạc z theo Tustin ....................................... 43
2.2.4.3 Khối hiệu chỉnh điện áp............................................................................. 46
2.3 Phương pháp điều khiển được đề xuất trong luận văn ............................................. 47
2.3.1 Nguyên lý điều khiển vận tốc PMSM được thực nghiệm ................................ 48
2.3.2 Thiết kế bộ bộ quan sát chế độ trượt được thực nghiệm .................................. 49
2.3.3 Thiết kế bộ điều khiển PI số: ............................................................................ 49
Chương 3: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN PMSM ............................................................ 51
3.1 Mô hình toán phương pháp điều khiển PMSM dựa trên hướng từ thông ................ 51
3.1.1 Biến đổi Clark ................................................................................................... 52
3.1.2 Biến đổi Park .................................................................................................... 52

3.1.3 Điều khiển PI .................................................................................................... 53
3.1.4 Biến đổi Park ngược ......................................................................................... 53
3.1.5 Biến đổi Clark ngược ........................................................................................ 54
3.1.6 Điều chế vector không gian .............................................................................. 55
3.2 Mô hình hóa mô phỏng điều khiển không cảm biến PMSM ................................... 56


ix

3.2.1 Xây dụng mô hình hóa mô phỏng..................................................................... 56
3.2.2 Mô phỏng điều khiển không cảm biến PMSM ................................................. 57
3.2.2.1 Chế độ chạy không tải ............................................................................... 57
3.2.2.2 Chế độ chạy tải nhẹ ................................................................................... 59
3.2.2.3 Điều khiển vận tốc PMSM trong điều kiện tải nặng ................................. 60
3.2.2.4 Điều khiển vận tốc PMSM trong điều kiện vận tốc thay đổi .................... 62
3.3 Nhận xét........................................................................................................... 63
Chương 4: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN PMSM ..................................................... 64
4.1 Mô hình thực nghiệm điều khiển PMSM................................................................. 64
4.1.1 Bộ kit thí nghiệm .............................................................................................. 64
4.1.2 Card điều khiển ................................................................................................. 68
4.1.3 Động cơ PMSM ................................................................................................ 70
4.2 Kết quả thực nghiệm ................................................................................................ 72
4.2.1 Động cơ PMSM chạy không tải ....................................................................... 72
4.2.2 Động cơ PMSM chạy với tải nhẹ ..................................................................... 74
4.2.3 Động cơ PMSM chạy với tải nặng ................................................................... 76
4.2.4 Động cơ PMSM thay đổi vận tốc trong vận hành không tải ............................ 78
4.2.5 Kết quả ước lượng các đại lượng dùng trong điều khiển vận tốc PMSM ........ 80
4.3 Nhận xét ................................................................................................................... 82
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................... 84
5.1 Kết luận .................................................................................................................... 84

5.2 Hướng phát triển ...................................................................................................... 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 87


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1 Minh họa các kiểu PMSM cơ bản: SPMSM và IPMSM ................................. 7
Hình 1. 2 Sơ đồ nguyên lý của WECS biến đổi công suất toàn bộ dùng PMSM ........... 9
Hình 1. 3 Mô hình tương đương cơ khí và điện của PMSM ......................................... 11
Hình 1. 4 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển PMSM dùng nguyên lý điều
khiển vector không gian có cảm biến vị trí ........................................................... 19
Hình 2. 1 Mô tả ba phương pháp chính để tính toán thông tin vị trí rotor không dùng
cảm biến vị trí ........................................................................................................ 24
Hình 2. 2 Mối liên hệ giữa tín hiệu điều khiển và EMF ngược trong [34] .................... 25
Hình 2. 3 Phân bố thực tế của thành phần cơ bản và hài bậc ba mật độ từ thông khe hở
không khí trong máy điện cảm ứng hoạt động tại tốc độ định mức ...................... 25
Hình 2. 4 Định nghĩa các hệ quy chiếu cho mô hình PMSM ........................................ 28
Hình 2. 5 Mô tả một bộ quan sát vòng kín cho ước lượng vị trí rotor ........................... 33
Hình 2. 6 Mô tả bộ quan sát tuyến tính và bộ quan sát phi tuyến .................................. 34
Hình 2. 7 Sơ đồ khối bộ điều khiển PI ........................................................................... 37
Hình 2. 8 Sai số xác lập của bộ điều khiển PI ................................................................ 37
Hình 2. 9 Hiện tượng vọt lố và POT của bộ điều khiển................................................. 38
Hình 2. 10 Hiện tượng vọt lố và POT của bộ điều khiển............................................... 38
Hình 2. 11 Thời gian quá độ và thời gian lên của bộ điều khiển ................................... 38
Hình 2. 12 khối hiệu chỉnh điện áp ................................................................................ 46
Hình 2. 13 Sơ đồ khối điều khiển không cảm biến PMSM ........................................... 48
Hình 2. 14 Nguyên lý bộ giám sát chế độ trượt được thực nghiệm ............................... 49
Hình 4. 1 Hình ảnh thực tế TMDSHVMTRPFCKIT..................................................... 65
Hình 4. 2 Các động cơ có thể điều khiển trên TMDSHVMTRPFCKIT ....................... 66

Hình 4. 3 Sơ đồ Khối tổng quát cho hệ thống điều khiển động cơ ................................ 66


xi

Hình 4. 4 Phân chia các khu vực chuyên trách trên Piccolo F2805x High Voltage
Motor Control Developer’s Kit ............................................................................. 68
Hình 4. 5 Hình ảnh card điều khiển TMS320F28035 .................................................... 69
Hình 4. 6 Động cơ PMSM ............................................................................................. 71
Hình 4. 7 Động cơ chạy không tải theo PI của Euler thuận ........................................... 73
Hình 4. 8 Động cơ chạy không tải theo PI của Euler nghịch ......................................... 73
Hình 4. 9 Động cơ chạy không tải theo PI của Tustin ................................................... 74
Hình 4. 10 Động cơ chạy tải nhẹ theo PI của Euler thuận ............................................. 75
Hình 4. 11 Động cơ chạy tải nhẹ theo PI của Euler nghịch ........................................... 75
Hình 4. 12 Động cơ chạy tải nhẹ theo PI của Tustin ..................................................... 76
Hình 4. 13 Động cơ chạy tải nặng theo PI của Euler thuận ........................................... 77
Hình 4. 14 Động cơ chạy tải nặng theo PI của Euler nghịch ......................................... 77
Hình 4. 15 Động cơ chạy tải nặng theo PI của Tustin ................................................... 78
Hình 4. 16 Động cơ chạy tăng tốc, giảm tốc theo PI của Euler thuận ........................... 79
Hình 4. 17 Động cơ chạy tải nặng theo PI của Euler nghịch ......................................... 79
Hình 4. 18 Động cơ chạy tăng tốc, giảm tốc theo PI của Tustin ................................... 80
Hình 4. 19 Vị trí rotor ước lượng được .......................................................................... 81
Hình 4. 20 Vận tốc rotor ước lượng ............................................................................... 81
Hình 4. 21 Mô men động cơ .......................................................................................... 81
Hình 4. 22 Dòng điện trên ba pha của động cơ .............................................................. 81
Hình 4. 23 Dòng điện stator trong tọa độ dq .................................................................. 82


1

Chương 0: GIỚI THIỆU
I. Đặt vấn đề
Do có nhiều thuận lợi trong điều khiển vận tốc và mô men, hệ thống truyền động
máy điện DC đã được ưu tiên ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau
trong hơn 100 năm qua. Trong 30 năm trở lại đây, với sự phát triển của điện tử công
suất, bộ điều khiển số (digital signal processor-DSP) và công nghệ thiết kế có sự hỗ trợ
từ máy tính, các bộ điều khiển động cơ AC [1-3] đã dần thay thế các bộ điều khiển
động cơ DC và có vai trò ngày càng quan trọng trong các ứng dụng điều khiển tần số
thay đổi. Hiện tại, các kiểu khác nhau của điều khiển AC dùng trong máy điện cảm ứng
(induction machines-IM), động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (permanent magnet
synchronous machines-PMSM), động cơ từ trở chuyển mạch (switched reluctance
machines-SRM) được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.
Trong số các bộ truyền động động cơ AC, hệ thống điều khiển PMSM được dùng
nhiều nhất, chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như là thiết bị trong
nhà [4], hệ thống xe điện [5], và hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (wind energy
conversion systems-WECS) [6], bởi các ưu điểm vượt trội là hiệu suất cao, mật độ
công suất lớn và vùng hằng số công suất rộng. Với việc giảm giá liên tục của các vật
liệu nam châm vĩnh cửu và sự phát triển của công nghệ điều khiển, truyền động PMSM
càng trở nên hấp dẫn và cạnh tranh so với các động cơ khác [7]. Ngoài ra, do các vấn
đề toàn cầu về ô nhiễm môi trường và an ninh năng lượng ngày càng được qua tâm chú
ý, các hệ thống chuyển đổi năng lượng gió và các xe chạy điện nhận được nhiều sự
quan tâm cả trong học thuật và trong ứng dụng tại các công ty sản xuất. Đây là một thị
trường rộng lớn cho công nghệ điều khiển PMSM.
Ngoài ra, việc điều khiển các động cơ PMSM trong công nghiệp ngày càng được
tự động hóa cao với sự tham gia điều khiển của các bộ điều khiển số. Có nhiều phương
pháp số hóa bộ điều khiển được thực hiện và mỗi giải thuật sẽ tác động khác nhau đến
khả năng điều khiển vận tốc động cơ PMSM. Trong quá trình thực nghiệm điều khiển


2

động cơ PMSM không cảm biến, luận văn đề xuất áp dụng ba giải thuật số hóa khác
nhau nhằm có sự đánh giá về khả năng và so sánh ưu nhược điểm của từng giải thuật.
Điều này sẽ góp phần quan trong việc đưa ứng dụng điều khiển PMSM từ thực nghiệm
vào quá trình sản xuất hàng loạt trong tương lai không xa tại thị trường Việt Nam nói
riêng và quốc tế nói chung.
Trong vấn đề nghiên cứu điều khiển động cơ PMSM trong tình hình nước ta hiện
nay còn rất khiêm tốn. Một số nghiên cứu được thực hiện trong nước đều hướng đến
điều khiển có cảm biến PMSM được thể hiện trong [1-2]. Vấn đề nghiên cứu điều
khiển động cơ PMSM không cảm biến còn đang bỏ ngõ và chưa có công bố nào trong
nước.
Luận văn hướng đề tài vào việc điều khiển không cảm biến các PMSM với mục
tiêu bỗ trợ và nâng cao hiệu quả hoạt động của các PMSM trong cac hệ thống truyền
động hiệu suất cao phục vụ nhu cầu công nghiệp hóa-hiện đại hóa đất nước hiện nay.
II. Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu nghiên cứu trong luận văn là phát triển hệ thống điều khiển không cảm
biến vị trí/vận tốc rotor có thể thay thế cho các hệ thống điều khiển có cảm biến cho
các động cơ PMSM trong toàn bộ dãy hoạt động. Điều khiển không cảm biến cung cấp
một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề phát sinh trong việc dùng các cảm biến vị
trí cơ cấu cơ điện tử trong hệ thống điều khiển PMSM. Đầu tiên, nó cung cấp giải pháp
thay thế cho điều khiển có cảm biến hiện tại cho PMSM với việc giảm chi phí, kích
thước, khối lượng và sự phức tạp phần cứng. Thứ hai, nó có thể được sử dụng như là
một bổ sung (sao lưu) trong các hệ thống điều khiển dựa trên cảm biến. Khi các cảm
biến gặp sự cố, điều khiển không cảm biến đảm bảo rằng hệ thống điều khiển PMSM
có thể tiếp tục hoạt động một cách chính xác. Điều này giúp tránh cho việc hỏng hóc
các thiết bị khác bởi sự hư hỏng cảm biến và hệ thống điều khiển. Cuối cùng, vị trí và
vận tốc rotor được tính toán và các biến trạng thái khác của PMSM có thể được dùng
để giám sát các điều kiện các cảm biến cơ điện và các thành phần khác của PMSM.

3

Giúp giảm tỉ lệ và mức độ hư hỏng, tiết kiệm chi phí bảo trì và cải thiện độ tin cậy của
hệ thống điều khiển PMSM.
Để thực hiện được mục tiêu trên, mục tiêu chính của luận văn được đư ra như
sau:
- Đề xuất giải thuật có thể áp dụng để điều khiển vận tốc động cơ PMSM trong
một dãy công suất rộng. Công việc này giúp nâng cao hiệu quả làm việc của
động cơ.
- Sử dụng các phương pháp số hóa khác nhau để thực nghiệm điều khiển động
cơ PMSM trong các bộ điều khiển số
- Thực nghiệm điều khiển động cơ PMSM để đánh giá hiệu quả hoạt động của
phương pháp điều khiển động cơ PMSM được đề xuất
- Thực nghiệm điều khiển động cơ PMSM để đánh giá tác động của các phương
pháp số hóa tín hiệu khác nhau trong các bộ điều khiển số trong việc điều
khiển vận tốc động cơ PMSM.
III. Nhiệm vụ của luận văn
Luận văn “Điều khiển tốc độ không dùng cảm biến trong động cơ PMSM” có
những nội dung chính như sau:
- Tìm hiểu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu qua ứng dụng cấu tạo,
nguyên lý hoạt động, phương trình toán học tương đương của PMSM.
- Tìm hiểu tổng quan về các phương pháp điều khiển vận tốc PMSM hiện nay.
- Nghiên cứu về phương pháp điều khiển trượt và áp dụng phương pháp điều
khiển trượt trong điều khiển vận tốc PMSM.
- Nghiên cứu về Board điều khiển Piccolo F2805x High Voltage Motor Control
Developer's Kit và Card điều khiển Piccolo TMX320F28055 trong điều khiển
PMSM
- Nghiên cứu các phương pháp số hóa bộ điều khiển PI bằng phương pháp Euler
và Tustin

4

- Thực nghiệm điều khiển động PMSM bằng phương pháp điều khiển FOC với
bộ quan sát theo chế độ trượt bằng nhiều phương pháp điều khiển số khác
nhau.
- Đánh giá kết quả đạt được qua các phương pháp điều khiển số khác nhau đã
thực nghiệm.
IV. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu điều khiển động cơ PMSM
- Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển PMSM
- Sử dụng bộ kit chuyên dụng của TI để điều khiển PMSM theo phương pháp
điều khiển FOC với bộ quan sát theo chế độ trượt.
- Mô phỏng điều khiển PMSM theo các phương pháp điều khiển số khác nhau là
Euler thuận, Euler nghịch, Tustin.
V. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
- Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và mô hình toán PMSM
- Nghiên cứu các giải thuật điều khiển PMSM
- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển số Euler thuận, Euler nghịch, Tustin
trong điều khiển động cơ PMSM bằng bộ điều khiển số.
- Nghiên cứu lập trình C cho card điều khiển DSP trong điều khiển động cơ
PMSM
- Ghi nhận kết quả sau mô phỏng và đánh giá kết quả.
VI. Điểm mới của luận văn
Luận văn đã thực nghiệm thành công việc điều khiển vận tốc động cơ PMSM
theo phương pháp trượt. Đây là tiền đề quan trọng để ứng dụng mô hình điều khiển vào
thực tiễn sản xuất.
Với việc áp dụng phương pháp điều khiển trượt vào điều khiển vận tốc động cơ,
nhược điểm giảm hiệu quả điều khiển khi có sự thay đổi vận tốc động cơ.

5

Luận văn đã đề xuất áp dụng các phương pháp số hóa tín hiệu trong điều khiển
số. Đây là tiền đề quan trọng trong thực nghiệm điều khiển động cơ vì hiện nay số hóa
điều khiển là một xu hướng tất yếu do các ưu điểm mà nó mang lại so với các bộ điều
khiển tương tự. Trong luận văn, các giải thuật số hóa bộ điều khiển là Euler thuận,
Euler nghịch, Tustin được áp dụng để từ đó rút ra được các các kết quả quan trọng về
lựa chọn, phối hợp và áp dụng các giải thuật số hóa trong các trường hợp điều khiển
động cơ cụ thể.
Trong quá trình thực nghiệm, kết quả thu được trong luận văn có thể áp dụng vào
việc thiết kế các bộ điều khiển hoàn thiện đưa vào vận hành trong thực tế. Đây là điểm
quan trọng mà các mô hình mô phỏng không thể làm được ngay.
VII. Giá trị thực tiễn của đề tài
Luận văn đã mô phỏng trên mô hình vật lý về điều khiển PMSM, đây là kết quả
quan trọng vì qua mô phỏng với một PMSM thực tế sẽ có thể thu được rất nhiều kết
quả về sự ảnh hưởng của các yếu tố thực tế không được mô hình hóa hay bị bỏ qua
trong việc xây dựng mô hình toán của PMSM trong mô phỏng.
Qua luận văn, các phương pháp số hóa tín hiệu điều khiển được áp dụng nhằm so
sánh và đưa ra khuyến nghị trong việc lựa chọn, phối hợp và áp dụng phương pháp số
hóa hợp lý trong điều kiện thực tế cụ thể.
Với việc sử dụng nhiều phương pháp số hóa tín hiệu điều khiển, các kết quả được
sử dụng để so sánh và đưa ra nhận xét cũng như kết luận về hiệu quả của từng phương
pháp.
Với kết quả thu được trong điều khiển PMSM bằng mô hình vật lý, kết quả thu
được trong luận văn hoàn toàn có thể được ứng dụng vào thực tiễn và bán ra thị trường.
Đây là đóng góp lớn với xã hội nói chung khi đưa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản
xuất.

6

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu PMSM
Nhìn chung, phần lớn các động cơ PMSM hiện nay [8] gồm stator ở phía ngoài
với các dây dẫn và một rotor có nam châm vĩnh cửu. Theo cấu tạo rotor, các động cơ
PMSM với một sức điện động ngược hình sine có thể được phân loại thành hai nhóm
chính: PMSM cực ẩn, ví dụ PMSM có nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt rotor
(SPMSM), và PMSM cực lồi, ví dụ động cơ PMSM cực chìm (IPMSM). Sự so sánh
giữa hai loại động cơ PMSM này được đưa ra chi tiết trong [9, 10].
Mặt cắt ngang của SPMSM điển hình được đưa ra như trong hình 1.1a. Nam
châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của trục rotor, SPMSM có khe hở không khí phân
bố đều. Thuộc tính này làm cho điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục là bằng
nhau. Kết quả là SPMSM chỉ tạo ra một mô men từ. So với IPMSM, SPMSM gần như
bị giới hạn khả năng tạo từ thông. Cấu hình rotor được gắn nam châm trên bề mặt sẽ
đơn giản trong sản xuất và lắp đặt. Tuy nhiên, các nam châm vĩnh cửu xuất hiện trực
tiếp tại vùng phản kháng của phần ứng sẽ có nguy cơ bị từ khử. Do cấu trúc rotor gắn
bề mặt, tốc độ quay của trục sẽ bị giới hạn để các nam châm vĩnh cửu tại bề mặt rotor
chống lại ảnh hưởng của lực ly tâm. Do đó, SPMSM thường được dùng trong các ứng
dụng tốc độ thấp ví dụ như hệ thống chuyển đổi năng lượng gió và các thiết bị trong
nhà.


7

Hình 1. 1 Minh họa các kiểu PMSM cơ bản: SPMSM và IPMSM
Mặt cắt ngang điển hình của một IPMSM được đưa ra như trong hình 1.1b, các
nam châm được đặt phía trong lõi sắt rotor, điều này giảm thiểu đáng kể nguy cơ từ
hóa của các nam châm vĩnh cửu trong quá trình hoạt động. Do là rotor cực lồi, điện

cảm dọc trục và điện cảm ngang trục là khác nhau. Điều này làm xuất hiện đồng thời
mô men của nam châm và mô men từ trở đều tham gia vào mô men tổng sinh ra trong
động cơ IPMSM. Do đó, IPMSM được dùng nhiều trong trong các hệ thống xe điện do
đặc điểm giảm từ thông lớn và có khả năng sinh mô men cao.
1.2 Ứng dụng truyền động của PMSM
PMSM rất được quan tâm áp dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ như hệ thống điều
khiển sức kéo bằng điện (electric traction drive systems-ETDS), trong các phương tiện
chạy điện và trong các máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống chuyển
đổi năng lượng gió tốc độ thay đổi (WECSs), trong các ứng dụng yêu cầu mật độ công
suất và năng lượng cao trong cùng điều kiện khối lượng và kích thước.
Mỹ là quốc gia dẫn đầu về thị trường cho các phương tiện chạy điện tiên tiến [11]
ví dụ như các phương tiện chạy điện và phối hợp điện-xăng (electric and hybrid
electric vehicles-EVs and HEVs), các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc
giảm kích thước của các động cơ chạy xăng, Mỹ là nước phụ thuộc vào xăng dầu bên
ngoài [11], và phát thải khí CO2 từ các phương tiện vận chuyển. Khi so sánh với các hệ


8

thống truyền động sử dụng động cơ đốt trong thông thường, các hệ thống truyền động
sử dụng điện [12-17] có công suất đỉnh cao hơn, cải thiện hiệu suất động, có đặc tính
mô men- tốc độ gần như lý tưởng, hiệu suất sử dụng năng lượng tốt hơn và giảm thiểu
phát thải CO2. Tổng quát, motor động lực trong hệ thống truyền động điện được yêu
cầu cung cấp một mô men xoắn lớn trong vùng tốc độ thấp (trong điều kiện khởi động)
và dãy rộng có tốc độ cao và công suất không đổi. So sánh với các loại máy điện AC
khác, PMSM có thể là thiết kế tốt để có một vùng vận tốc rộng hơn có công suất không
đổi và hoạt động trong cả chế độ có mô men xoắn không đổi khi hoạt động dưới vận
tốc cơ bản và chế độ công suất không đổi tại vận tốc trên định mức [18, 19]. Hơn nữa,
PMSM có mật độ công suất cao, mật độ mô men cao, hiệu suất cao, kích thước nên
kích thước tổng cộng của hệ thống truyền động được giảm thiểu rất nhiều, đây là đặc

điểm hấp dẫn trong ứng dụng phương tiện di chuyển. Hiện nay, phương tiện chạy điện
trang bị PMSM đã được sản xuất hàng loạt, ví dụ như Toyota’s Prius [20].
Tổng công suất lắp đặt điện gió đang phát triển bùng nổ trong thị trường toàn cầu.
Theo một báo cáo của Hiệp hội Năng lượng gió thế giới [21], lắp đặt điện gió trên toàn
thế giới đã đạt 296 GW vào năm 2013. Trong số các cấu hình khác nhau của WECSs,
hệ thống WECS có tốc độ thay đổi dựa trên máy phát điện cảm ứng nguồn kép
(doubly-fed induction generator-DFIG) là công nghệ chiếm ưu thế trên thị trường từ
cuối những năm 1990 [22]. Tuy nhiên, tình trạng này đã thay đổi trong những năm gần
đây với xu hướng phát triển của WECSs với công suất lớn, chi phí thấp hơn cho mỗi
kW, tăng mật độ năng lượng, và sự cần thiết cho độ tin cậy cao hơn. Ngày càng có
nhiều chú ý đến hệ thống chuyển đổi trực tiếp, các khái niệm WECS không hộp số.


9

Hình 1. 2 Sơ đồ nguyên lý của WECS biến đổi công suất toàn bộ dùng PMSM
Trong các loại máy phát điện khác nhau, PMSG đã được nhìn nhận là tốt hơn
trong các ứng dụng WECS biến đổi công suất toàn bộ do ưu thế về hiệu quả sử dụng
cao hơn, mật độ năng lượng cao hơn, chi phí bảo dưỡng thấp hơn, và tương thích lưới
điện tốt hơn [23]. Tăng độ tin cậy cũng như hiệu suất cao hơn như trong mô tả trong
hình 1.2 làm cho PMSG thêm hấp dẫn với các thiết kế công suất hàng MW ngoài khơi,
nơi mà các WECS được lắp đặt trong điều kiện khắc nghiệt và ít tiếp xúc với môi
trường
Tăng độ tin cậy cũng như hiệu suất cao hơn làm cho PMSG dựa trên trực tiếp ổ
WECSs, như thể hiện trong hình 1.2, hấp dẫn hơn trong MW đa ứng dụng ngoài khơi,
nơi WECSs được cài đặt trong khắc nghiệt và ít tiếp cận môi trường bên ngoài [23].
Hiện tại, nhiều hệ thống chuyển đổi năng lượng gió thương mại sử dụng PMSM đã có
mặt trên thị trường, với dãy công suất từ vài trăm watt đến 6 MW [24-25]. Có nhiều
nhà sản xuất tham gia vào thị trường điện gió dùng PMSM như là Siemens Wind
Power, General Electric Energy, Goldwind

1.3 Vật liệu làm nam châm vĩnh cửu
Nam châm vĩnh cửu là loại nam châm được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng có khả
năng giữ từ tính không bị mất đi trong từ trường. Đây là loại nam châm được sử dụng
như những nguồn tạo từ trường. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ vật
liệu, có nhiều phương pháp và chất liệu khác nhau được sử dụng để tạo nên nam châm
vĩnh cửu. Dưới đây là một số vật liệu được dùng chế tạo nam châm vĩnh cửu:


10

Ôxitsắt: đây là loại nam châm vĩnh cửu đầu tiên của con người được sử dụng từ
thời cổ đại xa xưa. Chúng được sử dụng dưới dạng các “đá nam châm”. Tuy nhiên
ngày nay thì loại nam châm này không còn được sử dụng nữa do tính của nó rất kém.
Thépcácbon: đây là loại nam châm vĩnh cửu được ra đời sau oxit sắt, được sử
dụng từ thế kỷ 18 đến giữa thế kỷ 20. Chúng có khả năng cho từ dư đến hơn 1 T, tuy
nhiên loại này cũng có lực kháng từ rất thấp vì vậy rất dễ bị mất tính từ và chúng
không còn được sử dụng hiện nay nữa.
Nam châm AlNiCo: là loại nam châm được chế tạo từ vật liệu từ cứng là hợp
kim của các chất như nhôm, niken, cô ban và một số phụ gia khác như đồng, titan…
Đây là loại nam châm cho từ dư cao khoảng từ 1,2 đến 1,5 T tuy nhiên có lực kháng từ
chỉ xung quanh 1 kOe và giá so với thị trường cũng khá cao vì thế mà hiện nay tỉ lệ
người sử dụng ngày càng có xu hương giảm dần ước tính chỉ còn không đến khoảng
10% thị phần sử dụng nó.
Nam châm Ferrite từ cứng: Là loại nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các
ferittừ cứng như chất ferit Ba, Sr… Nam châm này với ưu điểm là rất dễ dàng chế tạo
và gia công, mà giá thành lại rẻ nhưng độ bền cao. Tuy nhiên, khó khăn ở đây là do
nhóm các vật liệu ferit từ có hàm lượng ôxy cao vì thế nên có từ độ khá thấp và có lực
kháng từ khoảng 3 đến 6 kOe nên nó có khả năng cho tích năng lượng từ cực đại lớn
nhất là 6 MGOe. Hiện nay loại nam châm này cũng được sử dụng khá nhiều do những
ưu điểm kể trên của nó.

Nam châm đất hiếm: Là loại nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các vật liệu từ
cứng. Đó là các hợp kim hoặc hợp chất của các kim loại đất hiếm và kim loại chuyển
tiếp. Loại nam châm này có 2 dang đó là nam châm nhiệt độ cao SmCo và Nam châm
NdFeB (neodymium). Tuy nhiên giá cả của nó lại khá cao và độ bền kém nên nam
châm này vẫn không phải là loại nam châm được sử dụng nhiều nhất hiện nay.
Nam châm tổ hợp nano: Được ra đời từ đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, đây là
loại nam châm có cấu trúc khá đặc biệt gồm tổ hợp của 2 pha từ cứng và từ mềm ở