Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
––––––

NGUYỄN AN TOÀN

ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT
HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HÀ NỘI – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
––––––

NGUYỄN AN TOÀN

ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT
HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. TẠ CAO MINH

HÀ NỘI – 2016

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ “Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ
truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu” là công trình của tôi và được
thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Tạ Cao Minh. Các số liệu và kết quả là
hoàn toàn trung thực.
Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục “Tài liệu tham khảo” và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác.
Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 25 tháng 04 năm 2016
Học viên

Nguyễn An Toàn

i


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc và kính trọng đến thầy Tạ Cao Minh,
thầy đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu. Học
trò “Bảo An” cảm ơn thầy rất nhiều.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các giảng viên và cán bộ Viện Điện – Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các cán bộ, nghiên cứu sinh và cựu sinh viên tại Trung
tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ (CTI) – Đại học Bách Khoa Hà
Nội đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Cảm ơn các bạn Phạm Công
Minh, Bùi Đình Dân, Lê Tất Thắng, Đỗ Ngọc Hân. Đặc biệt, tôi xin cảm ơn anh
Nguyễn Bảo Huy đã nhiệt tình trao đổi và hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và nghiên
cứu tại CTI.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Quy Nhơn, Ban Chủ
nhiệm khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi được
tập trung học tập tại Hà Nội trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan
tâm, giúp đỡ và động viên của các đồng nghiệp, học viên cao học lớp 14AĐKTĐH.
Cảm ơn những người bạn ở khu Nhà khách Dân số – Ký túc xá Đại học Kinh tế
Quốc dân đã luôn động viên, khích lệ tôi.
Có những người luôn ở bên cạnh nhưng không cần ở tôi một lời cảm ơn nào, đó
là gia đình của tôi, người chị tảo tần nuôi dạy tôi. Bản thân tôi chỉ biết khắc cốt ghi
tâm.
Khả năng của tôi còn nhiều hạn chế nên thành quả là rất nhỏ bé, nhưng nếu
không có hỗ trợ và giúp đỡ như trên thì tôi sẽ không làm được gì. Một lần nữa, tôi
xin gửi lời tri ân sâu sắc đến tất cả mọi người.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ ii
MỤC LỤC ............................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .............................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................viii
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................................... x
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1.

Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1

2.

Lịch sử nghiên cứu .................................................................................................. 1

3.

Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ............................................................... 3

4.

Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 4

Chương 1 TỔNG QUAN ....................................................................................................... 5
1.1

Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ................................................ 5
1.1.1 Các loại PMSM ................................................................................................ 6
1.1.2 Động cơ đồng bộ IPM .................................................................................... 10
1.1.3 Một số phương pháp điều khiển PMSM......................................................... 12

1.2

Phương pháp điều khiển vector PMSM ................................................................. 13
1.2.1 Công thức chuyển đổi Clarke ......................................................................... 14
1.2.2 Công thức chuyển đổi Park ............................................................................ 15

1.3

Phân tích hoạt động của PMSM ............................................................................ 17
1.3.1 Mô hình toán học của PMSM ......................................................................... 17
1.3.2 Giới hạn dòng điện và điện áp ........................................................................ 18

1.3.3 Các đặc tính của PMSM ................................................................................. 19
1.3.4 Đặc tính công suất – tốc độ ............................................................................ 22

1.4

Kết luận chương 1.................................................................................................. 24

Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ................... 26
2.1

Cấu hình điều khiển cho PMSM............................................................................ 26

2.2

Điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu ba pha ................................................. 27
2.2.1 Mô hình hóa mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha............................................. 27

iii


Mục lục

2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian....................................................... 28
2.3

Thiết kế các bộ điều khiển dòng điện và tốc độ .................................................... 33
2.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện bằng kỹ thuật hàm chuẩn bậc hai .............. 33
2.3.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ theo phương pháp tối ưu đối xứng ...................... 37
2.3.3 Mô phỏng và kết quả ...................................................................................... 39

2.4

Kết luận chương 2.................................................................................................. 42

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU .......................................................................................................................... 44
3.1

Mô hình tổn thất của PMSM ................................................................................. 44
3.1.1 Tổn thất đồng .................................................................................................. 44
3.1.2 Tổn thất sắt ..................................................................................................... 44
3.1.3 Tổn thất phụ .................................................................................................... 45
3.1.4 Tổn thất tổng................................................................................................... 46

3.2

Bão hoà từ .............................................................................................................. 46

3.3

Một số phương pháp giảm thiểu tổn thất đã biết ................................................... 48
3.3.1 Phương pháp điều khiển MTPA ..................................................................... 49
3.3.2 Phương pháp thực nghiệm .............................................................................. 53
3.3.3 Phương pháp xấp xỉ đa thức ........................................................................... 55

3.4

Phương pháp tối thiểu tổn thất đề xuất .................................................................. 58
3.4.1 Tối thiểu tổn thất ở vùng trong giới hạn điện áp và dòng điện ...................... 59
3.4.2 Tối thiểu tổn thất trên biên giới hạn điện áp ................................................... 62

3.4.3 Điều khiển nâng cao hiệu suất PMSM ........................................................... 63

3.5

Kết luận chương 3.................................................................................................. 66

Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ......................................................... 69
4.1

Mô phỏng hệ truyền động trong MATLAB/SIMULINK ...................................... 69
4.1.1 Mô hình hệ truyền động ................................................................................. 69
4.1.2 Kết quả mô phỏng và nhận xét ....................................................................... 72

4.2

So sánh LMA đề xuất với phương pháp xấp xỉ đa thức của Lee........................... 77

4.3

Kết luận chương 4.................................................................................................. 83

KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 85
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN VĂN ..................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 87

iv


Mục lục

PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 91
P.1

Chuyển đổi giữa các hệ trục tọa độ trong MATLAB/SIMULINK ....................... 91

P.2

Mô hình động cơ đồng bộ IPM xây dựng trong MATLAB/SIMULINK .............. 92

P.3

Mô hình bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha trong MATLAB/SIMULINK ............... 93

P.4

Khâu SVM xây dựng trong MATLAB/SIMULINK ............................................. 93

P.5

Khâu điều khiển dòng điện và tốc độ .................................................................... 96

P.6

Bảng các thông số và hệ số của một PMSM trên FCEV [18] ............................... 97

P.7

Bảng các giá trị đặt tốc độ và mômen cản trên trục động động cơ theo thời gian 97

P.8

Lưu đồ thuật toán tối thiểu tổn thất cho IPMSM mà Lee đã đề xuất .................... 98

P.9

Chương trình MATLAB function thực hiện LMA đề xuất ................................. 101

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

r

rad/s

Góc pha giữa trục chuẩn  với trục của rotor (Góc cơ)

s

rad/s

Góc pha giữa trục chuẩn  với trục của vector từ thông
rotor (Góc pha từ thông)



Wb

Từ thông khe hở không khí

d , q

Wb

Thành phần trục d và q của từ thông móc vòng1 stator

s

Wb

Từ thông stator



1
2

Hệ số nhấp nhô2

ψs

Wb

Vector từ thông stator

m

Wb

Từ thông nam châm vĩnh cửu (Từ thông rotor)

base

rad/s

Tốc độ cơ bản

e

rad/s

Tốc độ điện

r

rad/s

Tốc độ quay của rotor (Tốc độ quay của trục động cơ)

C fe

Hệ số tổn thất sắt

Cstr

Hệ số tổn thất phụ

d1 , d3 , d5

Tín hiệu điều chế

es

V

Sức điện động tự cảm

esd , esq

V

Thành phần trục d và q của sức điện động tự cảm

is

A

Vector dòng điện stator

i , i

A

Thành phần trục  và  của dòng điện stator

ia , ib , ic

A

Dòng điện pha

id , iq

A

Thành phần trục d và q của dòng điện stator

if

A

Dòng điện kích thích tương đương của nam châm vĩnh
cửu (Nguồn dòng ảo)

Flux linkage
Saliency ratio

vi


Danh mục các ký hiệu

I dm

A

Dòng điện định mức của động cơ

I qsat

A

Mốc giá trị dòng điện iq mà điện cảm Lq bắt đầu giảm
mạnh khi dòng điện iq tăng.

Is

A

Biên độ dòng điện pha stator

I s max

A

Biên độ dòng điện lớn nhất của động cơ

J

kgm2

Ld

H

Điện cảm trục d (Điện cảm dọc trục)

Lq

H

Điện cảm trục q (Điện cảm ngang trục)

Pcu

W

Tổn thất đồng

Pfe

W

Tổn thất sắt

Pstr

W

Tổn thất phụ

Pt

W

Tổn thất tổng

Mômen quán tính của rotor

Số đôi cực

Pn
Rs



Điện trở stator (Điện trở phần ứng)

T0 , T7

s

Thời gian thực hiện vector u 0 , u 7

Tp , Tt

s

Thời gian thực hiện vector biên phải, biên trái

Tc

Nm

Mômen cản (Mômen tải)

Te

Nm

Mômen điện từ của động cơ

u0,1,...,7

V

Vector điện áp chuẩn (Vector chuẩn)

u p , ut

V

Vector biên phải, biên trái

us

V

Vector điện áp stator

u , u

V

Thành phần trục  và  của điện áp đầu cực

ua , ub , uc

V

Điện áp pha

ud , uq

V

Thành phần trục d và q của điện áp đầu cực

U dm

V

Điện áp định mức của động cơ

U dc

V

Điện áp mạch một chiều trung gian (Điện áp dc-link)

U s max

V

Điện áp đỉnh lớn nhất của bộ nghịch lưu

vii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tên tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

BLDC

Brushless Direct Current

(Động cơ) một chiều không chổi
than

CPSR

Constant Power Speed Range

Dải tốc độ công suất không đổi

DTC

Direct Torque Control

Điều khiển trực tiếp mômen

FCEV

Fuel Cell Electric Vehicle

Xe ô tô điện sử dụng pin nhiên liệu

FEM

Finite Element Method

Phương pháp phần tử hữu hạn

FOC

Field Oriented Control

Điều khiển tựa theo từ thông

IM

Induction Motor

Động cơ không đồng bộ

IPM

Interior Permanent Magnet

Nam châm vĩnh cửu chìm

LMA

Loss Minimization Algorithm

Thuật toán tối thiểu tổn thất

LMC

Loss Model Controller

Bộ điều khiển mô hình tổn thất

MTPA

Maximum Torque per Ampere

Tối ưu dòng điện đầu vào đáp ứng
mômen của phụ tải

PMAC

Permanent
Current

PMSM

Permanent Magnet Synchronous Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
Motor
cửu

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

SPM

Surface Permanent Magnet

Nam châm vĩnh cửu bề mặt

SRM

Switch Reluctance Motor

Động cơ từ trở thay đổi

SynRM

Synchronous Reluctance Motor

Động cơ đồng bộ từ trở thay đổi

WFSM

Wound
Machine

Magnet

Field

Alternating Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu có sức phản điện động hình sin

Synchronous Động cơ đồng bộ kích từ bằng
cuộn dây

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: So sánh giữa động cơ BLDC với PMSM ...................................................9
Bảng 1.2: So sánh giữa SPMSM và IPMSM ............................................................11
Bảng 2.1: Bảng trạng thái đóng cắt van và giá trị điện áp ứng với các vector chuẩn
...................................................................................................................................29
Bảng 2.2: Xác định tín hiệu điều chế theo phương pháp SVM ................................31

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Các loại động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha .............................................6
Hình 1.2: Mặt cắt một số dạng rotor tiêu biểu của động cơ đồng bộ ..........................8
Hình 1.3: Các đường sức từ của nam châm vĩnh cửu IPMSM .................................10
Hình 1.4: Vector dòng điện stator trên hai hệ tọa độ cố định stator và - .............14
Hình 1.5: Vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định - và hệ tọa độ quay d-q
...................................................................................................................................15

Hình 1.6: Đường tròn giới hạn dòng điện và ellipse giới hạn điện áp với đường cong
mômen bằng hằng số của IPMSM ............................................................................18
Hình 1.7: Các đặc tính của PMSM ở dải tốc độ quay định mức và vùng giảm từ thông
...................................................................................................................................19
Hình 1.8: Quỹ đạo dòng điện và đặc tính công suất – tốc độ trong ba trường hợp ..23
Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển cho PMSM ................................................................26
Hình 2.2: Mô hình mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha ..............................................27
Hình 2.3: Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha ..................................................28
Hình 2.4: Vị trí các vector chuẩn trên hệ tọa độ cố định - ...................................29
Hình 2.5: Lưu đồ thuật toán xác định sector của vector điện áp stator.....................30
Hình 2.6: Hàm điều chế cho mạch nghịch lưu ba pha theo phương pháp SVM ......32
Hình 2.7: Mô hình động cơ trên hệ tọa độ d-q ..........................................................33
Hình 2.8: Bộ điều khiển bù xen kênh dòng điện .......................................................34
Hình 2.9: Sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng điện ....................................................34
Hình 2.10: Ảnh hưởng của hệ số tắt dần đến chất lượng hệ thống ...........................37
Hình 2.11: Sơ đồ mạch vòng điều khiển tốc độ ........................................................38

x


Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Hình 2.12: Đồ thị đáp ứng tốc độ và mômen của động cơ khi đặt id  0 .................41
Hình 2.13: Đồ thị đáp ứng dòng điện id và iq của động cơ ở các tốc độ và mômen
khác nhau khi đặt id  0 ............................................................................................41
Hình 2.14: Đồ thị đáp ứng dòng điện ba pha của động cơ ở các tốc độ và mômen khác
nhau khi đặt id  0 ....................................................................................................42
Hình 3.1: Đồ thị đo từ thông móc vòng stator theo dòng điện trên hai trục d, q ......47
Hình 3.2: Giá trị đo điện cảm ....................................................................................47
Hình 3.3: Đường sức từ được kích thích bởi id và iq ...............................................48

Hình 3.4: Đặc tính sinh mômen của IPMSM ............................................................50
Hình 3.5: Quỹ đạo của đường MTPA .......................................................................51
Hình 3.6: Cấu hình điều khiển nâng cao hiệu suất cho IPMSM của Mademlis .......53
Hình 3.7: Đồ thị xấp xỉ sự thay đổi của Lq theo một hàm tuyến tính bậc nhất ........57
Hình 3.8: Đồ thị xấp xỉ một đoạn thay đổi của Lq thành một hàm tuyến tính bậc nhất
...................................................................................................................................61
Hình 3.9: Thuật toán tối thiểu tổn thất (LMA) đề xuất .............................................64
Hình 3.10: Thuật toán tối thiểu tổn thất đề xuất cho SPMSM ..................................66
Hình 4.1: Mô hình hệ truyền động xây dựng trong MATLAB/SIMULINK ............70
Hình 4.2: Khâu tính toán các dòng điện đặt id* và iq* ................................................71
Hình 4.3: Đồ thị đáp ứng tốc độ và mômen của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất
...................................................................................................................................75
Hình 4.4: Đồ thị đáp ứng các dòng điện id và iq của động cơ khi sử dụng LMA đề
xuất ............................................................................................................................75
Hình 4.5: Đồ thị dòng điện ba pha của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất .............76

xi


Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Hình 4.6: Đồ thị dòng điện ba pha của động cơ trong khoảng thời gian 0,60,8s khi
sử dụng LMA đề xuất................................................................................................76
Hình 4.7: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất ............77
Hình 4.8: Đồ thị đáp ứng tốc độ trên trục động cơ của hai phương pháp .................78
Hình 4.9: Đồ thị đáp ứng mômen của động cơ theo hai phương pháp .....................78
Hình 4.10: Đồ thị đáp ứng dòng điện id theo hai phương pháp ...............................79
Hình 4.11: Đồ thị đáp ứng dòng điện iq theo hai phương pháp ...............................79
Hình 4.12: Đồ thị đáp ứng dòng điện ba pha của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất
...................................................................................................................................80

Hình 4.13: Đồ thị đáp ứng dòng điện ba pha của động cơ khi sử dụng phương pháp
của Lee ......................................................................................................................80
Hình 4.14: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất ..........81
Hình 4.15: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ khi sử dụng phương pháp của Lee
...................................................................................................................................81
Hình 4.16: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ theo hai phương pháp .................82
Hình 4.17: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ theo ba phương pháp ..................83

xii


MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Khi hiệu ứng nhà kính trở thành mối quan tâm hàng đầu, thì hiệu suất của các

ứng dụng gia dụng trở thành vấn đề quan trọng hơn bao giờ hết. Nhờ hiệu suất cao
và tỷ lệ công suất trên khối lượng lớn, giá thành của vật liệu nam châm vĩnh cửu dần
được giảm xuống và mối quan tâm đến khí hiệu ứng nhà kính cũng tăng lên, nên động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor – PMSM)
dần được sử dụng trong các ứng dụng gia dụng như tủ lạnh, điều hòa nhiệt độ, quạt
gió, máy giặt… Hơn nữa, các hệ thống truyền động thủy lực trong ô tô và máy bay
cũng dần được thay thế bằng PMSM để có hiệu suất nhiên liệu cao hơn. Ngoài ra,
PMSM còn được sử dụng phổ biến và đóng vai trò là một động cơ kéo cho ô tô và
tàu thủy điện lai. Thêm vào đó, với những ưu điểm nổi bật như trên, PMSM rất phù
hợp cho các ứng dụng trong các hệ truyền động có nguồn cung cấp hạn chế như pin,
ắc quy. Để tăng tính cạnh tranh của sản phẩm thì một yêu cầu đặt ra cho các ứng dụng
trên là phải giảm thiểu được tổn thất của của động cơ, cũng như tăng thời gian sử
dụng pin (ắc quy), hoặc cũng có thể giảm kích cỡ pin (ắc quy) nếu cần thiết. Do đó,

đề tài “Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu” được đặt ra để giải quyết bài toán trên.
2.

Lịch sử nghiên cứu
Hệ truyền động PMSM điều khiển tốc độ được ứng dụng nhanh chóng vào lĩnh

vực ô tô điện, dụng cụ y tế, và các thiết bị điều khiển chuyển động… Các hệ truyền
động này thường được cung cấp năng lượng từ pin hoặc ắc quy. Vì bị hạn chế bởi
nguồn cung cấp, nên việc cải thiện hiệu suất trở thành ưu tiên quan trọng.
Morimoto và các cộng sự [28] đã đưa ra luật điều khiển tối thiểu tổn thất PMSM
dựa trên dòng điện chứa trong mô hình tổn thất đồng và tổn thất sắt, và bằng cách lấy
vi phân phương trình tổn thất, đưa ra dòng điện trục d để giảm thiểu tổn thất. GallegosLópez và các cộng sự [12] đã đề xuất ý tưởng ứng dụng phương pháp điều khiển

1


Mở đầu

MTPA trong vùng giảm từ thông3 với các ứng dụng nổi bật trong ôtô điện. Tuy nhiên,
tổn thất sắt lại không được xét đến. Mademlis và các cộng sự [20] đã xây dựng công
thức hàm tổn thất trong hệ tọa độ d-q, và suy ra cách để tối thiểu tổn thất theo dòng
điện trục d. Nhưng tối ưu trong vùng bão hòa và ở trên biên điện áp chưa được xét
đến. Jeong và các cộng sự [15] đã xét vùng bão hòa và tách kênh trong mô hình tổn
thất, và ứng dụng phương pháp Newton online trong tìm kiếm giá trị tối ưu. Nhưng
một nghiên cứu tối ưu ở biên điện áp cũng chưa được xét tới. Lee và các cộng sự [18]
đã đưa ra thuật toán tối thiểu tổn thất bằng phương pháp Lagrange dựa trên mô hình
tổn thất của Mademlis [20], và đã dùng phép xấp xỉ đa thức4 để tìm nghiệm trên biên.
Ngoài ra, bảng tra gần đúng đã được sử dụng để điều khiển giảm thiểu tổn thất
động cơ [7], [19], hoặc các phương pháp tìm kiếm giá trị online [10], [15], [23] cũng

đã được sử dụng. Tuy nhiên, việc xây dựng bảng tra đòi hỏi chi phí cao và mất thời
gian để đo đếm. Thêm nữa, bảng tra gần đúng đòi hỏi một kích thước bộ nhớ lớn hoặc
một thuật toán nội suy phù hợp.
Như vậy, các nghiên cứu trên đã đưa ra nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết
bài toán điều khiển nâng cao hiệu suất cho động cơ, nhưng chung quy lại là đều dựa
vào việc điều khiển giảm từ thông, và các phương pháp này có thể được phân làm hai
loại chính: 1) kỹ thuật điều khiển dựa vào mô hình tổn thất; 2) ứng dụng thuật toán
điều khiển tìm kiếm.
Kỹ thuật điều khiển dựa vào mô hình tổn thất dựa trên việc khai triển mô hình
toán của các tổn thất năng lượng xuất hiện khi động cơ làm việc. Để có một kết quả
tốt nhất, phương pháp này cần có một mô hình tổn thất chính xác và các tham số của
mô hình phải được xem xét trong điều kiện nhiệt độ và dòng điện thay đổi. Bằng cách
đưa mô hình tổn thất về một hàm của các biến điều khiển của hệ truyền động, thì kỹ
thuật điều khiển dựa vào mô hình tổn thất tìm cách đưa ra giá trị của các biến điều
khiển là tối ưu, để hiệu suất của động cơ là lớn nhất.

3
4

Field-weakening region
Polynomial approximations

2


Mở đầu

Đối với kỹ thuật sử dụng thuật toán điều khiển tìm kiếm thì ngược lại, nó không
dựa vào mô hình tổn thất, mà là sử dụng chương trình thích nghi. Đầu tiên, kỹ thuật
này thay đổi giá trị biến điều khiển theo từng bước nhỏ, sau đó đo công suất vào động

cơ ở mỗi điểm làm việc. Cuối cùng, bằng cách so sánh kết quả đo được với giá trị đo
được ở bước trước đó trong điều kiện vận hành ổn định, để tìm kiếm điểm tiêu thụ
công suất thấp nhất. Thuật toán điều khiển tìm kiếm có ưu điểm là không cần biết đến
mô hình tổn thất của động cơ và các tham số của nó. Tuy nhiên, nó cũng có điểm hạn
chế là chi phí xây dựng cấu hình hệ thống cao, gánh nặng tính toán lớn, đặt biệt là
đáp ứng của hệ thống bị dao động, vì vậy, có thể dẫn đến hệ truyền động bị mất ổn
định.
Từ các ưu nhược điểm vừa phân tích cùng với điều kiện và khả năng nghiên
cứu, trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp điều khiển tối thiểu tổn thất
PMSM dựa vào mô hình tổn thất để giải quyết bài toán đã đưa ra, đồng thời khắc
phục những vẫn đề còn tồn tại ở trên.
3.

Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu

Nói chung, điều khiển tối thiểu tổn thất là một bài toán tối ưu có ràng buộc.
Chính xác, nó là vấn đề tìm dòng điện đặt trục d và trục q trong giới hạn điện áp và
dòng điện, để tổn thất của động cơ là nhỏ nhất trong khi phải tạo ra mômen xác lập
tại tốc độ đặt. Khi đã giảm thiểu được tổn thất của động cơ thì hiệu suất của động cơ
cũng được nâng lên.
Để giải quyết bài toán đưa ra, cũng như khắc phục những mặt còn tồn tại, luận
văn đề xuất hướng nghiên cứu như sau:
 Xây dựng cấu trúc điều khiển nâng cao hiệu suất PMSM sử dụng phương pháp
điều khiển vector tựa theo từ thông rotor. Trong đó bao gồm hai mạch vòng điều
khiển: mạch vòng điều khiển dòng điện bên trong và mạch vòng điều khiển tốc
độ bên ngoài.

3

Mở đầu

 Dựa trên những nghiên cứu đã có, xây dựng mô hình tổn thất của PMSM bao
gồm các tổn thất có thể điều khiển được theo các biến trên hệ tọa độ d-q.
 Nghiên cứu đưa ra thuật toán điều khiển tối thiểu tổn thất (Loss Minimization
Algorithm – LMA) với hai trường hợp riêng biệt tùy theo điểm làm việc của
PMSM: trong vùng giới hạn điện áp và dòng điện, và trên biên giới hạn điện áp.
 Xem xét hiện tượng bão hòa từ ảnh đến các tham số của PMSM. Từ đó đưa ra
thuật toán xấp xỉ giá trị điện cảm theo dòng điện ứng với các điểm làm việc
khác nhau của PMSM, nhằm cải thiện thuật toán điều khiển tối thiểu tổn thất đề
xuất.
 Mô phỏng hệ thống sử dụng thuật toán tối thiểu tổn thất đề xuất và so sánh với
một thuật toán mới được đề xuất gần đây để kiểm chứng giá trị của thuật toán
đề xuất.
Đối tượng nghiên cứu

Hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Phạm vi nghiên cứu

 Tập trung xây dựng thuật toán điều khiển nâng cao hiệu suất hệ truyền động
PMSM, dựa vào mô hình tổn thất của động cơ.
 Khảo sát ảnh hưởng của bão hòa từ đến giá trị các điện cảm của PMSM, từ đó
đưa ra luật xấp xỉ giá trị điện cảm ứng với sự thay đổi của dòng điện.
4.

Phương pháp nghiên cứu

 Sử dụng phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor để xây dựng hệ truyền
động và mô hình tổn thất của bài toán.

 Sử dụng phương pháp giải tích để tìm nghiệm của bài toán tối thiểu tổn thất
động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
 Sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK để mô phỏng và kiểm chứng các kết
quả nghiên cứu đưa ra.

4


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Đối với động cơ xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, thì nam châm
vĩnh cửu thay thế cho cuộn dây kích từ và vành trượt cổ góp dẫn điện như đối với
động cơ đồng bộ kích từ bằng cuộn dây (Wound Field Synchronous Machine –
WFSM), và động cơ xoay chiều nam châm vĩnh cửu cũng không có cấu tạo lồng sóc
như ở rotor của động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM). Nhờ đặc điểm đó,
các PMSM có một số ưu điểm nổi bật so với các loại động cơ khác.
Do không có các cuộn dây kích từ bên trong rotor, nên các động cơ xoay chiều
nam châm vĩnh cửu có khối lượng nhỏ và mômen quán tính thấp, điều này giúp cho
động cơ đáp ứng mômen nhanh hơn. Thêm vào đó, cường độ từ trường của động cơ
này vẫn lớn trong khi thể tích của động cơ có thể giảm xuống. Hơn nữa, vì không cần
năng lượng để từ hóa động cơ và không có tổn thất đồng ở rotor, nên PMSM có hiệu
suất cao hơn IM và WFSM. Điều này cũng giúp giảm chi phí và kích thước biến tần
dùng cho PMSM. Nhờ không có tổn thất đồng ở rotor, nên rotor PMSM hầu như
không tự sinh nhiệt mà còn nhận nhiệt từ phía stator, giúp quá trình tản nhiệt trong
động cơ tốt hơn. Đặc biệt, một số PMSM có lợi thế vượt trội là được thêm mômen từ
trở trong dải điều khiển giảm từ thông, vì vậy, chúng có thể được thiết kế để có một
dải công suất không đổi rộng. Các kết quả trên dẫn đến PMSM có mật độ công suất
cao hơn bất kỳ loại động cơ nào khác. Nói cách khác, với cùng một công suất yêu cầu
thì PMSM cần một không gian hiệu dụng nhỏ so với các loại động cơ khác.

Về nguyên lý hoạt động, khi nối nguồn ba pha vào các cuộn dây stator của
PMSM, dòng điện chạy trong hệ thống ba cuộn dây quấn stator sẽ sinh ra một từ
trường quay với tốc độ:

n

60 f e
Pn

5

(1.1)


Chương 1: Tổng quan

với f e là tần số dòng điện stator, Pn là số đôi cực của động cơ đồng bộ. Từ trường này
sẽ tương tác với từ trường rotor tạo ra mômen kéo rotor quay với tốc độ đúng bằng
tốc độ của từ trường quay. Như vậy, từ trường trong động cơ gồm hai thành phần là
từ trường rotor và từ trường stator. Từ trường stator là do dòng điện stator tạo thành,
còn từ trường rotor là do nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor tạo thành.
1.1.1 Các loại PMSM

Dựa vào đặc điểm và cấu tạo của rotor, các động cơ đồng bộ (Synchronous
Motor – SM) có thể được phân loại như Hình 1.1.
Động cơ đồng bộ
(Synchronous Motor )

Động cơ đồng bộ
kích từ bằng cuộn dây

Động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu
(PM Motor)

Sức phản điện động
hình sin
(PMAC hay PMSM)

Động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu bề mặt
(SPMSM)

Động cơ từ trở
(Reluctance Motor)

Sức phản điện động
hình thang
(BLDC Motor)

Động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu chìm
(IPMSM)

Hình 1.1: Các loại động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha.

Trong Hình 1.1, động cơ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Motor – PM
Motor) được phân thành hai loại theo dạng sóng sức phản điện động. Một loại có đặc
điểm là sức phản điện động hình sin được gọi là PMAC hay PMSM (Permanent
Magnet Alternating Current, Permanent Magnet Synchronous Motor), và một loại

6


Chương 1: Tổng quan

khác là động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC motor).
Dạng sóng sức phản điện động có hình dạng phụ thuộc vào nam châm, sự sắp xếp
các rãnh và kiểu quấn dây [29].
Động cơ BLDC có đặc điểm là mômen bị nhấp nhô với tần số nhấp nhô gấp 6
lần tần số chuyển mạch. Điều này là khác biệt hoàn toàn với các loại động cơ thông
thường khác với mômen là một đường thẳng. Do mômen nhấp nhô nên tốc độ của
động cơ BLDC không ổn định và có tiếng ồn khi làm việc, đặc biệt là ở vùng tốc độ
thấp [2].
Hình 1.2 (a-e) thể hiện các mặt cắt của các PMSM hai cặp cực có sức phản điện
động hình sin với nam châm vĩnh cửu bề mặt hoặc là nam châm vĩnh cửu chìm [24].
Sự khác nhau là do vị trí của các nam châm vĩnh cửu (được bôi đen trong Hình 1.2).
Nếu các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của rotor như Hình 1.2 (a-b), thì
nó được gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt (Surface mounted PMSM
– SPMSM). Nếu các nam châm mà được đặt chìm trong lõi rotor như Hình 1.2 (c),
(d), thì chúng được gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior PMSM
– IPMSM). Trong Hình 1.2 (b), các nam châm vĩnh cửu được đặt vào rãnh của bề
mặt rotor, được gọi là động cơ nam châm ghép bề mặt (inset magnet motor). Đối với
động cơ nam châm ghép bề mặt, mặc dù nam châm ở trên bề mặt, nhưng từ trở có
đặc điểm gần giống với IPMSM, đặc biệt là điện cảm trục q lớn hơn so với điện cảm
trục d. Với bố trí từ thông tập trung như Hình 1.2 (d) thì mật độ từ thông khe hở không
khí có thể được tăng lên lớn hơn so với ở bề mặt của nam châm vĩnh cửu [29].
So sánh giữa PMSM và động cơ BLDC chỉ ra rằng PMSM có thể điều chỉnh tốc
độ và vị trí chính xác hơn so với động cơ BLDC [17]. Hơn nữa, PMSM không tạo ra
mômen nhấp nhô giống như động cơ BLDC. Nhưng giá trị sử dụng của các động cơ

BLDC là ở điểm điều khiển đơn giản và giá thành cạnh tranh. Động cơ BLDC thường
có giá thành thấp và công suất nhỏ (nhỏ hơn 5kW), và được ứng dụng trong máy quạt
gió, dụng cụ cầm tay, các ứng dụng gia dụng… So sánh giữa BLDC và PMSM được
liệt kê trong Bảng 1.1.

7


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.2: Mặt cắt một số dạng rotor tiêu biểu của động cơ đồng bộ: (a) nam châm lồi
bề mặt; (b) nam châm ghép bề mặt; (c) nam châm chìm; (d) nam châm chìm (từ thông
tập trung); và (e) nam châm chìm nhiều lớp dọc trục; (f) rotor nhiều mảng của SynRM;
(g) rotor nhiều lớp dọc trục của SynRM.

8


Chương 1: Tổng quan

Bảng 1.1: So sánh giữa động cơ BLDC với PMSM.
Động cơ BLDC

PMSM

Sức phản điện động

Sóng hình thang

Sóng sin

Dòng điện pha

Sóng vuông

Sóng sin

Mômen nhấp nhô

Cao

Thấp

Cảm biến vị trí

Cảm biến Hall (giá Resolver (giá thành
thành rẻ)
đắt)

Kiểu quấn dây stator

Tập trung (tốn ít đồng) Phân tán (tốn nhiều
đồng)

Sử dụng nam châm vĩnh cửu

Lớn

Tương đối nhỏ

Tổn thất do dòng điện xoay trong Lớn
nam châm

Tương đối nhỏ

Độ phức tạp trong điều khiển

Đơn giản

Phức tạp

Dải tốc độ

Hẹp

Rộng

Giá thành bộ nghịch lưu

Thấp

Cao

Đối với động cơ từ trở (Reluctance Motor) có thể được chia làm hai loại: động
cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor – SynRM) và động cơ từ trở thay
đổi (Switch Reluctance Motor, Variable Reluctance Motor – SRM). Trong đó, các
SynRM có số cực ở stator và rotor là bằng nhau. Rotor SynRM được thiết kế để hướng
từ thông qua rotor theo quỹ đạo mong muốn, do đó các lỗ trống được tạo ra nhằm
mục đích này như trên Hình 1.2 (f-g). Cũng nhờ vậy nên khi làm việc, rotor động cơ
này mát hơn so với các động cơ khác. Số cực điển hình của SynRM là 4 và 6. Còn

các SRM cũng có thể được xem là một dạng của động cơ bước với số cực ít. Các
SRM khác nhau về số lượng pha quấn trên stator và chúng là một con số nhất định
dựa vào sự tổ hợp phù hợp giữa số cực của stator và số cực rotor. Ví dụ như SRM 2
pha 4/2 (stator 4 cực, rotor 2 cực), và SRM 3 pha 6/4 (stator 6 cực, rotor 4 cực). Nhờ
cấu tạo đặc biệt này, đối với SRM, ngoài điều khiển dòng điện, điện áp còn có thể
điều khiển góc quay của rotor. Về nguyên lý hoạt động, khi kích thích bằng liên tiếp
các xung dòng điện ở mỗi pha của stator SRM, thì rotor của động cơ có xu hướng
đuổi theo hướng từ trở nhỏ nhất, từ đó tạo chuyển động quay cho trục động cơ [2].

9


Chương 1: Tổng quan

1.1.2 Động cơ đồng bộ IPM

Về cấu tạo, stator của động cơ IPM bao gồm các cuộn dây được bố trí tương tự
như ở các động cơ xoay chiều ba pha khác. Còn rotor của động cơ có cấu tạo khá đặc
biệt và đa dạng, bao gồm lõi thép và các tấm nam châm vĩnh cửu đặt chìm trong lõi
thép, tùy vào số đôi cực của động cơ mà có số cặp nam châm tương ứng. Hình 1.2 (ce) là những cách bố trí nam châm thường thấy trong IPMSM.
Sự bố trí các cặp nam châm bên trong lõi thép và cấu tạo lõi thép khiến cho từ
thông của rotor chỉ hướng theo một trục nhất định, ta gọi trục đó là trục sinh từ thông
d, trục còn lại không sinh từ thông gọi là trục q, được mô tả trên Hình 1.3 [16]. Với
cách bộ trí nam châm như trên dẫn đến từ thông khe hở không khí không đều. Do đó,
điện cảm trên hai trục cũng khác nhau. Cụ thể là điện cảm ngang trục Lq của IPMSM
lớn hơn điện cảm dọc trục Ld ( Lq  Ld ) , và tỷ số   Lq / Ld được gọi là hệ số nhấp
nhô. Mức độ sai lệch giữa hai thành phần điện cảm này lớn hay nhỏ tùy thuộc vào
cấu tạo của động cơ. Nhờ đặc điểm này đã dẫn đến một số ưu điểm trong điều khiển
động cơ IPM.

Hình 1.3: Các đường sức từ của nam châm vĩnh cửu IPMSM.

10


Chương 1: Tổng quan

Vật liệu làm nam châm cho động cơ là vật liệu có mật độ từ tính lớn, do đó, kích
thước của rotor không cần quá lớn mà vẫn đạt được từ thông mong muốn, nhờ đó mà
mật độ công suất của IPMSM thường rất cao. Giống với động cơ SPM, khả năng sinh
mômen của động cơ IPM nhờ vào sự tương tác giữa dòng điện stator và từ thông của
rotor, mômen này gọi là mômen điện từ (Electromagnetic Torque). Tuy nhiên, do có

Ld  Lq nên IPMSM có thêm một thành phần mômen từ trở (Reluctance Torque),
điều này giúp cho động cơ IPM có khả năng sinh mômen cao hơn. Hơn nữa, IPMSM
còn có khả năng giảm từ thông mạnh nên có thể điều chỉnh tốc độ trong một dải rộng.
Ưu nhược điểm:
 Có khả năng sinh mômen cao, dải điều chỉnh tốc độ rộng;
 Khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, mật độ công suất lớn;
 Giá thành còn rất đắt.
Để thấy rõ hơn những ưu điểm của IPMSM, ta tiến hành so sánh IPMSM với
SPMSM và kết quả được đưa ra trong Bảng 1.2.
Bảng 1.2: So sánh giữa SPMSM và IPMSM.
SPMSM

IPMSM

Vị trí nam châm

Bề mặt

Chìm

Định vị nam châm

Dán keo, dùng dải băng Đặt chìm trong rotor

Sóng hài từ trường của nam châm Lớn

Nhỏ

Sử dụng nam châm

Lớn

Tương đối nhỏ

Hệ số nhấp nhô

1

>1

Mômen từ trở

Không

Có

Mật độ công suất

Thấp

Cao

Dải tốc độ

Nhỏ

Lớn

Với những ưu điểm nổi bật của IPMSM như trên, trong luận văn, tác giả sẽ chọn
động cơ đồng bộ IPM làm đối tượng nghiên cứu chính, sau đó sẽ mở rộng bài toán
với một số động cơ khác.

11