Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPM) không dùng cảm biến tốc độvị trí

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề t i
do tôi t nghi n cứu d

is h

ng

d n của PGS.TS Tạ Cao Minh. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này
là trung th c v ch a công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu n o tr

c đây.

Những công thức h nh ảnh v số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân
tích, tính toán đ ợc chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong
phần tài liệu tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ s gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
tr

c hội đồng cũng nh kết quả luận văn của mình.

Hà N i,

ày 25 t á

03 ă 2015

Tác giả

ng H ng Triết

1


M C

C

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
M C

C ...................................................................................................................2

DANH M C HÌNH VẼ ..............................................................................................4
DANH M C CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................6
DANH M C C C

HI U.....................................................................................7

MỞ ĐẦU .....................................................................................................................8
CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM CHÌM & CÁC
ỨNG D NG ...............................................................................................................9
1.1 Cấu tạo .............................................................................................................11
1.2 Vật liệu chế tạo nam châm vĩnh vửu. ..............................................................13
1.3 Đặc điểm của động c đồng bộ nam châm chìm ............................................16
1.3.1 Ưu điểm của động c IPM ........................................................................16
1.3.2 Đặc tính c của động c IPM ....................................................................18
1.4 Xây d ng hệ tọa độ véc t không gian cho động c IPM. .............................20
1.4.1 Xây d ng hệ tọa độ cố định αβ. ................................................................22
1.4.2 Xây d ng hệ tọa độ dq. .............................................................................23

1.5 Mô hình toán học cho động c IPM ................................................................24
1.6 Cấu h nh điều khiển chung ..............................................................................29
1.7 Ứng dụng của động c đồng bộ nam châm chìm ............................................29
CHƯƠNG II TỔNG QUAN C C PHƯƠNG PH P HÔNG DÙNG CẢM BIẾN
...................................................................................................................................31
2.1 Ph

ng pháp

c l ợng tr c tiếp (mạch hở). ..................................................32

2.1.1 Ph

ng pháp d a trên Back-emf. ..............................................................32

2.1.2 Ph

ng pháp biến đổi đại số .....................................................................34

2.2 Ph

ng pháp mạch kín (có phản hồi) MRAS. ................................................35

2.3 Ph

ng pháp sử dụng bộ quan sát trạng thái. ..................................................40

2.3.1 Bộ quan sát trạng thái tuyến tính ...............................................................40
2.3.2 Bộ quan sát trạng thái phi tuyến ................................................................41
2.3.3 Bộ quan sát Luenberger .............................................................................43

2


2.3.4 Ph
2.4 Ph

ng pháp bộ lọc Kalman mở rộng (EKF). ..........................................44

ng pháp d a v o điểm c c.......................................................................45

2.4.1 Mô hình tần số cao của PMSM .................................................................46
2.4.2 Mô hình kích từ tần số cao ........................................................................47
2.4.2.1 B m tín hiệu vào hệ tọa độ rotor

c l ợng .....................................48

2.4.2.2 B m tín hiệu vào hệ tọa độ cố định ..................................................50
2.4.3 Ph

ng pháp xử lý tín hiệu .......................................................................50

CHƯƠNG III TÍNH TO N C C THAM SỐ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN ................53
3.1 Cấu hình hệ điều khiển v i 2 mạch vòng (dòng điện và tốc độ) .....................53
3.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện isd (bộ điều ch nh Ri ): ...............................53
sd

3.3 Mạch vòng điều khiển dòng điện isq (bộ điều ch nh Risq) ...............................55
3.4 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ ..........................................................57
CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA H THỐNG KHÔNG DÙNG
CẢM BIẾN TRONG SIMULINK ............................................................................59

4.1 Thông số động c IPM d ng trong mô phỏng. ................................................59
4.2 Điều kiện mô phỏng.........................................................................................59
4.3 Mô hình mô phỏng...........................................................................................60
4.3.1 Bộ điều khiển tốc độ ..................................................................................60
4.3.2 Bộ điều khiển dòng điện có bù chéo. ........................................................61
4.3.3 Bộ nghịch l u. ...........................................................................................62
4.3.4 Bộ

c l ợng tốc độ MRAS......................................................................63

4.4 Kết quả mô phỏng ............................................................................................64
KẾT LUẬN ...............................................................................................................66
T I I U THAM HẢO .........................................................................................67
PH L C ..................................................................................................................70

3


Danh mục hình vẽ

DANH M C HÌNH VẼ
Hình 1.1 - Mặt cắt động c đồng bộ .........................................................................11
Hình 1.2 - Động c đồng bộ nam châm chìm ...........................................................12
Hình 1.3 - Giản đồ B-H của vật liệu chế tạo nam châm [4]......................................14
Hình 1.4 - Lịch sử phát triển của vật liệu nam châm vĩnh cửu .................................16
Hình 1.5 - Biễu diễn điện cảm dọc trục và ngang trục của động c SPM v IPM ...18
Hình 1.6 - Mô men động c đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm đ ợc gắn
chìm bên trong rotor ..................................................................................................18
Hình 1.7 - Đặc tính c động c IPM .........................................................................18
Hình 1.8 - Đồ thị véc t mạch stator động c IPM ...................................................19

Hình 1.9 - S đồ bố trí ba cuộn dây pha của động c IPMSM .................................20
Hình 1.10 - Hệ tọa độ phức cho các đại l ợng pha. ..................................................21
Hình 1.11 - Biểu diễn dòng điện stator d

i dạng vector không gian α β. ..............22

Hình 1.12 - Biểu diễn véc t không gian trong hệ tọa độ dq. ...................................23
Hình 1.13 - Mô hình hệ trục toạ độ của ĐCĐB v i rotor nam châm chìm ..............24
Hình 1.14- Mô hình hàm truyền của IPMSM ...........................................................28
H nh 1.15: S đồ ph

ng pháp điều khiển FOC không cảm biến ............................29

Hình 2.1 - S đồ hệ thống điều khiển véc t không cảm biến vị trí. ........................32
Hình 2.2 - S đồ của bộ

c l ợng tốc độ rotor d a vào MRAS .............................35

Hình 2.3 - S đồ khối bộ điều khiển thích nghi mô hình m u ..................................39
Hình 2.4 (a) bộ quan sát tuyến tính (bộ quan sát nhiễu), (b) bộ quan sát phi tuyến
(SMO cho c l ợng back-emf) [22] ......................................................................41
Hình 2.5 - Quan hệ giữa hệ tọa độ cố định αβ, khung tọa độ rotor dq lý t ởng,
khung tọa độ rotor γδ c l ợng ..............................................................................49
Hình 2.6 - Tổng quát s đồ khối của hệ thống điều khiển PMSM không cảm biến sử
dụng ph ng pháp b m tín hiệu HF [22] .................................................................51
Hình 3.1 - S đồ điều khiển 2 mạch vòng .................................................................53
Hình 3.2 - Mạch vòng điều khiển dòng isd ................................................................53
Hình 3.3 - Mạch vòng điều khiển dòng isq ................................................................55
Hình 3.4 - Mạch vòng điều khiển tốc độ...................................................................57

4


Danh mục hình vẽ

Hình 4.1 - Mô hình mô phỏng không cảm biến trong simulink ...............................60
Hình 4.2 - Bộ điều khiển tốc độ Speed Controller ....................................................60
Hình 4.3 - Bộ điều khiển tách k nh dòng điện isd isq có bù chéo. .............................61
Hình 4.4 - S đồ bộ nghịch l u .................................................................................62
Hình 4.5 - S đồ bộ

c l ợng tốc độ MRAS .........................................................63

Hình 4.6 - Mô hình thích nghi (Adaptive model) .....................................................63
Hình 4.7 - C cấu thích nghi (Adaptive Mechanism) ...............................................63
Hình 4.8 - Đáp ứng tốc độ của bộ điều khiển ...........................................................64
Hình 4.9 - Đáp ứng mô men của động c .................................................................65
Hình 4.10 - Dòng điện điều khiển id và iq .................................................................65

5


Danh mục các từ viết tắt

DANH M C CÁC TỪ VIẾT TẮT
Back-emf

Back electromotive force

Sức phản điện động

BLDC

Brushless direct current

Điện một chiều không chổi than

Eemf

Extended electromotive force

Sức điện động mở rộng

EKF

Extended Kalman filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

DSP

Digital signal processor

Bộ xử lý tín hiệu số

FOC

Field oriented control

Điều khiển t a tr ờng

HF

High-frequency

Tần số cao

HFSI

High frequency signal injection

B m tín hiệu tần số cao

INFORM

Indirect flux detection by
online reactance measurement

Nhận biết từ thông gián tiếp bởi
việc đo trở kháng trục tuyến

IPMSM

Interior permanent-magnet
synchronous machine

Động c đồng bộ nam châm vĩnh
cửu

LPF

Low-pass filters

Bộ lọc thông thấp

MRAS

Model reference adaptive
system

Hệ thống thích nghi mô hình m u

MTPA

Maximum torque per ampere

C c đại mô men tr n dòng điện

PWM

Pulse width modulation

Điều chế độ rộng xung

SMO

Sliding mode observer

Bộ quan sát chế độ tr ợt

SPMSM

Surface permanent magnet
synchronous machine

Động c đồng bộ nam châm bề
mặt

VSI

Voltage source inverter

Bộ đảo mạch nguồn áp

6


Danh mục các ký hiệu

DAN

M CC C

I

B

Hệ số ma sát

fs

Tần số nguồn điện cấp cho động c

Fc

Tần số điều chế độ rộng xung

is

Dòng điện stator

ia, ib, ic

Dòng điện pha a b, c

id, iq

Th nh phần dòng điện stator theo trục d q

J

Mô men quán tính rotor.

Lsd, Lsq

Điện cảm stator theo trục d q.

p

Số cặp c c động c .

Rs

Điện trở dây quấn stator

Risd

Bộ điều ch nh dòng id

Risq

Bộ điều ch nh dòng iq

Rω

Bộ điều chỉnh tốc độ

Te,TL

Mô men điện từ mô men tải

Tsd,Tsq

H ng số thời gian stator trục d q

ud, uq

Th nh phần điện áp theo trục d q

ωs, ωr

Vận tốc góc điện của nguồn cấp vận tốc góc c của rotor

ωh

Tần số góc của tín hiệu b m

θre, θr

Vị trí góc điện v góc c của rotor

θerr

Sai lệch giữa góc th c v góc

ψf , ψr

Từ thông rotor

ψs, ψsd, ψsq

Từ thông stator, từ thông stator tr n trục d q

7

c l ợng


Mở đầu

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Ng y nay c ng v i s phát triễn nh vũ b o của công nghệ bán d n đ cho ra đời
những bộ vi xử lý tốc độ cao bộ nh l n cho phép th c hiện những b i toán vi tích
phân phức tạp trong thời gian ngắn đ dần dần thay thế những cảm biến tốc độ vị trí
b ng những thuật toán c l ợng. H n nữa cảm biến tốc độ vị trí ch ng những l m
tăng giá th nh bộ điều khiển m còn nhạy cảm v i những tác động c học l m
giảm độ bền c khí v giảm độ tin cậy khi l m việc trong môi tr ờng khắc nghiệt.
Động c đồng bộ nam châm ch m (IPM ng y c ng phát triển mạnh mẽ v phạm
vi ứng dụng rất rộng bởi những u điểm v ợt trội so v i các loại động c khác nh
giải điều ch nh rộng, khả năng sinh mô men l n .
Chính v 2 lý do tr n m tác giả chọn đề t i
t
t .
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Nghi n cứu thuật toán
ch m (IPM .
3 N

c l ợng tốc độ vị trí cho động c đồng bộ nam châm

dun

Đề t i gồm có bốn ch

ng:

Ch

ng I Tổng quan về động c IPM v các ứng dụng.

Ch

ng II Tổng quan về các ph

Ch

ng III Mô hình hóa hệ thống và tính toán các tham số điều khiển.

ng pháp không d ng cảm biến.

Ch ng IV Mô phỏng hoạt động của hệ thống không dùng cảm biến trong
Simulink.

8


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng

C ƢƠNG I TỔNG Q AN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM CHÌM
& CÁC ỨNG D NG
Động c DC chiếm u thế trong lĩnh v c điều khiển tốc độ từ thế kỷ 19 t i
những thập niên cuối của thế kỷ 20, do việc điều khiển động c DC dễ d ng h n so
v i những động c AC. Những năm cuối của thập niên 1960 K. Hasse gi i thiệu
điều khiển vector t u từ tr ờng cho động c AC. Theo đó điều khiển động c AC
cũng t

ng t điều khiển động c DC. S phát triển của công nghệ bán d n cho

phép xây d ng bộ chuyển đổi tần số cho động c AC v i dòng 3 pha hình sin và tần
số điều ch nh liên tục. Trong những năm 1980 biến tần cho động c AC sử dụng
ph

ng pháp điều khiển t a từ tr ờng bắt đầu cạnh tranh v i động c DC. Từ đó thị

phần động c DC giảm xuống bởi động c AC có những điểm u việt. Vùng tốc độ
của động c AC rộng h n v kích th

c thì nhỏ h n so v i động c DC cùng công

suất. Hiện tại biến tần cho động c không đồng bộ là l a chọn h ng đầu trong công
nghiệp điều khiển tốc độ máy điện từ v i trăm w t i v i trăm kw.
Động c đồng bộ là một nhóm của động c AC và sở hữu nhiều u điểm của
máy điện cảm ứng. Sử dụng động c đồng bộ kích từ DC truyền thống ch gi i hạn
ở các loại máy phát và những máy móc có công suất l n. Chúng không thể cạnh
tranh v i động c không đồng bộ trong những bộ d n động công suất vừa do giá
th nh cao h n v cấu trúc phức tạp h n.
Đến khi dùng nam châm vĩnh cửu thay cho cuộn dây kích từ, động c đồng bộ
có nhiều điểm hấp d n h n động c không đồng bộ. Rotor không cần cuộn kích từ
cho nên cấu trúc khá đ n giản và giảm đ ợc tổn hao đồng bởi vì không có dòng
điện trong rotor. Điều n y đảm bảo hiệu suất cao h n v dễ l m mát h n so v i
động c không đồng bộ. Việc sử dụng đất hiếm chế tạo nam châm làm cho mật độ
từ thông dày và tiện lợi trong cấu tạo của động c v i mật độ công suất v ợt trội.
Nam châm vĩnh cửu đ ợc chế tạo v i nhiều hình dáng, làm cho cấu trúc động c rất
đa dạng. Mặt hạn chế chủ yếu của động c đồng bộ nam châm vĩnh cửu là giá
thành. Cấu trúc stator th t

ng t động c không đồng bộ nh ng vật liệu chế tạo

9


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng

nam châm trong rotor thì khá đắt. Tuy nhi n PMSM th đang trở nên phổ biến và
phạm vi ứng dụng của chúng rất rộng. Ng ời ta th ờng sử dụng PMSM trong các
ứng dụng có độ chính xác cao công suất thấp. Trong t

ng lai PMSM sẽ tiếp tục

thay thế động c không đồng bộ cũng nh trong những bộ d n động thay đổi tốc độ
truyền thống.
Động c PMSM đ ợc chia thành 2 nhóm chính: nam châm bề mặt (SPM) và
nam châm chìm (IPM) nh tr n hình 1.1.
 Nhóm nam châm bề mặt (SPM), kỹ thật chế tạo điển hình là những khối nam
châm hình cung đ ợc dán trên bề mặt rotor hay đ ợc cố định trên bề mặt
rotor b ng những ph

ng pháp đặc biệt. Nếu nam châm vĩnh cửu đ ợc chế

tạo từ những khối ferit đặc thì chi phí chế tạo thấp nh ng bị tổn hao dòng
xoáy. Cho nên trong nhiều ứng dụng hiệu suất cao nam châm vĩnh cửu đ ợc
ghép từ những lá nam châm mỏng chế tạo b ng vật liệu NdFeB nung kết, tuy
nhiên kỹ thuật này thì chi phí chế tạo rất tốn kém.
 Nhóm nam châm chìm (IPM) những khối nam châm đặt trong những khe

chìm bên trong rotor đ ợc ghép từ những lá thép từ tính mỏng. Những khe
chứa nam châm có dạng hình nan hoa sắp xếp dọc theo h

ng bán kính rotor

và tạo nên từ tr ờng tiếp tuyến. Thiết kế kiểu nan hoa có u điểm tập trung
từ thông, vì thế trong động c có tính phân c c cao, mật độ từ thông trong
khe hở không khí tăng l n. Điều này làm cải thiện chế độ làm việc và giảm
kích th

c động c .

So v i động c SPM th IPM có nhiều u điểm h n nam châm của SPM tiếp
xúc tr c tiếp v i từ tr ờng khe hở không khí trong khi đó IPM có kết cấu vững
chắc h n do nam châm đặt chìm bên trong rotor, đ ợc phủ kín bởi các lá thép kỹ
thuật nên khả năng chống lại s khử từ cao, chịu đ ợc tốc độ quay l n, mật độ
thông l ợng cao và khả năng phân phối mạnh h n cho mật độ mô men quay tốt h n,
nên chế tạo đ ợc những động c kích th

c nhỏ gọn h n. Chính vì những u điểm

10


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng

đó IPM rất đ ợc u chuộng đang đ ợc nhiều công ty nghiên cứu phát triển và ứng
dụng.

a) Động c nam châm bề mặt (SPM)

b Động c nam châm ch m (IPM

Hình 1.1 - Mặt cắt động c đồng bộ
1.1 Cấu tạo
Cấu tạo động c gồm 2 phần chính đó l stator và rotor:
* Stator của động c đồng bộ nam châm chìm gồm 2 bộ phận là lõi thép và
dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.
Lõi thép stator gồm các lá thép kỹ thuật điện, hai mặt đ ợc phủ l p s n cách
điện đ ợc dập r nh b n trong sau đó đ ợc ghép lại v i nhau tạo thành hình trụ
rỗng, bên mặt trong tạo th nh các r nh theo h

ng trục để đặt dây quấn sau này

(Hình 1.2). Dọc chiều dài của lõi thép stator cứ cách khoảng 3-6cm lại có một lỗ
thông gió ngang trục rộng 10mm. Lõi thép stator đ ợc đặt cố định trong thân máy.
Thân máy phải đ ợc thiết kế sao cho hình thành một hệ thống thông gió để làm mát
máy tốt nhất. Nắp máy th ờng đ ợc chế tạo từ gang đúc thép tấm hoặc nhôm đúc.
Dây quấn stator th ờng đ ợc chế tạo b ng đồng có tiết diện hình tròn hoặc chữ
nhật (tùy thuộc vào công suất máy), bề mặt đ ợc phủ một l p cách điện đ ợc quấn
thành từng búi và lồng vào các rãnh của lõi thép stator đ ợc đấu nối theo các qui
luật nhất định tạo th nh các s đồ hình sao hoặc tam giác.

11


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng
Rotor của động c đồng bộ nam châm c c ẩn th ờng làm b ng thép hợp kim

chất l ợng cao đ ợc rèn thành khối trụ sau đó gia công phay r nh để đặt các thanh
nam châm. Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt đ ợc cấu trúc c
học bền vững h n kiểu n y th ờng đ ợc sử dụng trong các lĩnh v c yêu cầu tốc độ
cao. Tốc độ loại n y th ờng cao n n để hạn chế l c li tâm rotor th ờng có dạng
hình trống v i tỷ số “chiều d i/đ ờng kính” l n. Máy n y đ ợc gọi là máy từ
tr ờng h

ng kính (rotor trụ d i nó đ ợc sử dụng trong các máy công cụ.

Tuy nhiên v i cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy không thể đ ợc coi là
khe hở không khí đều. Trong tr ờng hợp n y các thanh nam châm đ ợc lắp bên
trong lõi thép rotor về mặt vật lý coi là không có s thay đổi nào của bề mặt hình
học các nam châm. Mỗi nam châm đ ợc bọc bởi một mảng c c thép nên nó làm
mạch từ của máy thay đổi khá mạnh, vì do các mảng c c thép này tạo ra các đ ờng
d n từ sao cho từ thông cắt ngang các c c này và cả trong không gian vuông góc
v i từ thông nam châm. Do đó hiệu ứng phân c c là rõ ràng và nó làm thay đổi c
chế sản sinh mô men của máy điện.

Hình 1.2 - Động c đồng bộ nam châm chìm
1-lõi thép stator; 2-rotor; 3-

ĩ

ửu

V i yêu cầu truyền động sezvo là vận hành phải m do đó cần phải hạn chế mô
men răng c a và mô men đập mạch do các sóng hài không gian và thời gian sinh ra.

Để đạt đ ợc điều n y ng ời ta th ờng tạo hình cho các nam châm, uốn các nam

12


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng

châm l ợn chéo theo trục rotor, uốn rãnh và dây quấn stator kết hợp v i tính toán số
răng v kích th

c của nam châm. Kỹ thuật tạo ra các rotor xi n l khá đắt tiền và

phức tạp. Trong điều kiện b nh th ờng của truyền động sezvo, nếu mô men điều
hòa răng c a cỡ 2% mô men định mức thì có thể chấp nhận đ ợc. Tuy nhiên có thể
hạn chế đ ợc đa số các mô men điều ho răng c a trong truyền động động c đồng
bộ nam châm vĩnh cửu cấp từ bộ biến đổi b ng cách sử dụng bộ biến đổi chất l ợng
cao và các bộ điều khiển có chứa các phần tử đo chính xác các thông số hoạt động
nh tốc độ, vị trí của động c .
Trong các máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển, trên stator có các răng ng y
nay ta có thể chế tạo các stator không răng. Trong tr ờng hợp này dây quấn stator
đ ợc chế tạo từ b n ngo i sau đó đ ợc lồng v o v định vị trong stator. Máy điện
nh vậy sẽ không đập mạch ở tốc độ thấp và tổn thất sẽ giảm tăng đ ợc không gian
h n cho dây quấn stator, nên có thể sử dụng dây quấn tiết diện l n h n v tăng dòng
điện định mức của máy điện do đó tăng đ ợc công suất của máy. Nh ng khe hở
không khí l n gây bất lợi cho từ thông khe hở nên phải chế tạo rotor có đ ờng kính
l n h n v có bề mặt nam châm l n h n.
1.2 Vật liệu chế tạo nam châm vĩnh vửu.
Nam châm vĩnh cửu không đ ợc sử dụng cho động c trong một thời gian dài

bởi vì s phát triển của vật liệu nam châm vĩnh cửu v n ch a ho n thiện cho đến
giữa thế kỷ 20. Sau khi phát minh vật liệu Alnico v Ferrite nam châm vĩnh cửu
đ ợc sử dụng rộng r i cho động c DC trong ứng dụng công suất nhỏ nh động c
phụ trên ô tô. Gần đây s cải thiện của chất l ợng của vật liệu nam châm vĩnh cửu
và kỹ thuật tiên tiến của ph

ng pháp điều khiển cho phép thay thế động c không

đồng bộ b ng động c nam châm vĩnh cửu trong nhiều lĩnh v c công nghiệp.
Thuật ngữ mô tả tính chất nam châm vĩnh cửu theo 3 đại l ợng chính sau.
1. Từ d (Br) là mật độ từ tính hoặc từ thông v n còn trong nam châm vĩnh cửu
sau bão hòa.
2. Độ kháng từ (Hc l c ờng độ từ tr ờng âm cần thiết để đ a từ d về giá trị 0.
13


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng
3. Năng l ợng c c đại (BHmax) ch ra năng l ợng c c đại mà vật liệu chế tạo

nam châm vĩnh cửu có thể duy trì.
Hình 1.3 l đ ờng cong B-H điển hình của vật liệu nam châm vĩnh cửu. Khi nạp
từ tr ờng mạnh vào m u nam châm vĩnh cửu, vật liệu bắt đầu bị từ hóa. Sau đó ngắt
từ tr ờng bên ngoài m u nam châm bị giảm từ dần theo đ ờng cong phía trên trong
hình 1.3. Đ ờng cong này giả định một độ dốc cố định và h ng đ ợc gọi l độ thấm
từ. BHmax xuất hiện tại điểm n i m đ ờng hypecbon B-H tiếp tuyến v i đ ờng khử
từ.

Hình 1.3 - Giản đồ B-H của vật liệu chế tạo nam châm [4]

Bảng 1.1 cho thấy đ n vị của mỗi đặc tính. Hệ số nhiệt độ (s biến đổi theo
nhiệt độ của từ d %/oC ) là một đặc tính quan trọng nữa cho kỹ s thiết kế khi sử
dụng nam châm vĩnh cửu chế tạo từ một số vật liệu rất nhạy v i thay đổi nhiệt độ.

14


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng

Bảng 1.1: những thông số chính của nam châm vĩnh cửu v đ n vị của chúng [4].

Mặc dầu việc sản xuất nam châm vĩnh cửu bắt đầu v i thép carbon từ tính từ thế
kỷ 18 ở London, thật s thì động c nam châm vĩnh cửu trong công nghiệp c bản
bắt đầu v i Alnico trong nữa đầu của thế kỷ 20. Tuy nhiên, Alnico c bản v i
nhôm, niken, coban, và sắt đ ợc thay thế bởi Ferit trong cuối thập niên 1960, bởi vì
Alnico rất đắt do quá trình chế tạo phức tạp. Mặc dầu khả năng l u trữ năng l ợng
không cao, Ferit v n đ ợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng ngày nay bởi vì
vật liệu thô dồi dào và chi phí sản xuất thấp. Vì Ferit là hỗn hợp của những nguyên
liệu tốt chế tạo từ sắt ôxit, Fe2O3, v i Barium (Br) hoặc Strontium (Sr), vật liệu từ
này phổ biến để sử dụng chế tạo những hình dáng phức tạp. Tuy nhiên, Ferit thì
thích hợp cho ứng dụng nhiệt độ cao bởi vì t lệ Br và Hc giảm khi nhiệt độ tăng..
Samarium-Cobalt (Sm-Co) là một loại vật liệu nam châm đất hiếm phát triển
trong những năm 1960. Chi phí và độ quý hiếm của loại vật liệu này cản trở s
th nh công trong th

ng mại của nó, nh ng độ ổn định nhiệt độ tốt cho phép nó sử

dụng trong ứng dụng chịu nhiệt độ cao.

Sumimoto đồng thời thông báo s phát triển của Neodymium-Iron-Boron (NdFe-B), loại nam châm này trở nên sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh v c công
nghiệp. Vì khả năng l u trữ năng l ợng cao và chi phí thấp so v i SamariumCobalt, Neodymium-Iron-Boron là vật liệu tốt nhất trong những ứng dụng yêu cầu
kích th

c nhỏ. Samarium-Iron-Nitride (Sm-Fe-N) là vật liệu nam châm vĩnh cửu

cuối cùng gi i thiệu trong những năm giữa thập niên 1980. Vật liệu này có khả
năng chống lại s khử từ cao độ mài mòn, và nhiệt độ thay đổi là những bất lợi của
nam châm Neodymium-Iron-Boron.

15


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng
S phát triển mang tính lịch sử của vật liệu nam châm vĩnh cửu suốt thế kỷ 20

đ ợc minh họa trong Hình 1.4. Biểu đồ này cho thấy s cải thiện của năng l ợng
c c đại trong vật liệu bởi gi i thiệu nhiệu loại vật liệu ngoại trừ Ferit. Ferit không
có giá trị BHmax nh mong đợi bởi vì s tăng giá trị khử từ của ferit đ ợc kèm theo
s giảm trong từ d .

Hình 1.4 - Lịch sử phát triển của vật liệu nam châm vĩnh cửu
1.3 Đặc đ ểm của đ n cơ đồng b nam châm chìm
1 3 1 Ƣu đ ểm của đ n cơ IPM
Các động c đồng bộ nam châm vĩnh cửu dạng sóng sin (PM motor) vốn đ có
đặc tính điều khiển rất tốt th ờng đ ợc sử dụng trong các hệ truyền động đòi hỏi độ
chính xác và chất l ợng cao nh rô bốt, máy công cụ CNC và các hệ truyền động
sezvo khác. Động c IPM v n giữ nguyên những u điểm vốn có này, ngoài cấu

trúc nam châm ch m đặc biệt còn l m tăng khả năng sinh mô men của động c n y
khiến nó là một trong những động c có nhiều u điểm nhất. Động IPM kết hợp u
điểm của hai động c sau:

16


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng
 Động c PM thông th ờng có các nam châm vĩnh cửu đ ợc gắn trên bề
mặt của rotor, ta gọi là Surface Permanent Magnet-SPM motor. Động c
này có khe hở không khí tác dụng đều, từ trở theo các trục d và q b ng
nhau. Do vậy mô men từ (magnet torque của động c ch do nam châm
vĩnh cửu t

ng tác v i dòng điện stator sinh ra.

 Động c từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor) có rotor đ ợc
thiết kế gồm các l p vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen l n nhau tạo ra
s khác biệt giữa từ trở trục d và trục q, sinh ra mô men từ trở (reluctance
torque . Động c n y không hề có nam châm vĩnh cửu, do vậy mô men
của động c ho n to n l mô men từ trở.
B ng cách sử dụng nam châm vĩnh cửu gắn v i rotor đ tạo ra mật độ thông
l ợng l n và khả năng phân phối mạnh h n góp phần làm cho mật độ mô men quay
tốt h n. Mặc khác động c đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm đ ợc gắn
chìm bên trong rotor d n t i s khác biệt giữa điện cảm dọc trục v điện cảm ngang
trục (hình 1.5), từ đó tạo ra khả năng sinh mô men từ trở cộng thêm vào mô men
vốn có do nam châm sinh ra (hình 1.6 . Đặc tính này khiến động c có khả năng
sinh mô men rất cao.

Mô men điện từ trong động c IPM sinh ra do hai th nh phần: thành phần do
nam châm tạo ra và thành phần tạo ra do s chênh lệch điện cảm (hoặc từ trở) dọc
trục và ngang trục. Nếu điều khiển theo ph

ng pháp điều khiển véc t thông

th ờng th đối v i động c PMSM th nh phần mô men từ trở không đ ợc huy động
(

m có góc dẫn bằng không trên hình 1.6 . V điện cảm trục d nhỏ h n điện cảm

trục q (hình 1.5) nên nếu ta đ a dòng điện trục d âm v o động c sẽ sinh ra mô men
từ trở d

ng l m tăng mô men tổng của động c . Nh ta thấy trên hình 1.6 đ ờng

biểu diễn theo góc d n (đ ờng mô men tổng có điểm c c đại nh vậy, nếu việc
điều khiển các véc t dòng điện đ ợc th c hiện một cách hợp lý, ta có c c đại hoá
mô men động c

gọi l điều khiển c c đại t số của mô men trên dòng điện

(Maximum Torque Per Ampere-MTPA).

17


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng

Hình 1.5 - Biễu diễn điện cảm dọc trục và ngang trục của động c SPM v IPM

Hình 1.6 - Mô men động c đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm đ ợc gắn
chìm bên trong rotor
Mặt khác động c n y cũng có phản ứng phần ứng mạnh, d n t i khả năng
giảm từ thông mạnh cho phép nâng cao v ng điều ch nh tốc độ.
1.3.2 Đặc tính cơ của đ n cơ IPM
Mô men
M

0

Mmax

Hình 1.7 - Đặc tính c động c IPM

18


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng
Khi cấp cho động c IPM nguồn điện xoay chiều 3 pha có tần số f không đổi,

động c sẽ quay v i tốc độ không đổi.



2 f

p

Trong phạm vi mô men cho phép M ≤ Mmax đặc tính c l tuyệt đối cứng (độ
cứng β=∞ . Đặc tính c nh h nh 1.7. Khi mô men v ợt quá trị số Mmax th động
c sẽ mất đồng bộ.
Ngo i ra ng ời ta còn sử dụng đặc tính góc M  f ( ) biểu diễn mối quan hệ
giữa mô men của động c v i góc lệch của véc t điện áp l

i và véc t sức điện

động cảm ứng trong dây quấn stator do từ tr ờng một chiều sinh ra.

U
jIX
θ

E

φ
I
Hình 1.8 - Đồ thị véc t mạch stator động c IPM
Từ đồ thị véc t hình 1.8 ta có:
U.cosφ=E.cos(φ-θ)
mà

cos(   ) 

(1.1)

U sin 

I .X
U sin 
IX

⇒

U cos   E

⇒

UI cos   E

U sin 
X

(1.2)

Vì UIcosφ là công suất pha của động cơ nên công suất 3 pha của động cơ là
P3

EU
sin 
X

(1.3)

19


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng
Mô men động c l :
M 

Đây l ph

P





3EU
sin 
X

(1.4)

ng tr nh đặc tính góc của động c IPM. Khi  


2

thì mô men

động c đạt c c đại.
M max  3

EU

X

(1.5)

Mô men Mmax đặc tr ng cho khả năng quá tải của động c .

hi tải tăng góc


lệch θ tăng nếu   thì mô men lại giảm. Động c IPM th ờng làm việc định
2
mức v i θ =200→300.
Hệ số quá tải mô men:

M 

M max
 2  2,5
M dm

1.4 Xây dựng hệ tọa đ véc tơ khôn

(1.6)

an cho đ n cơ IPM

Động c IPMSM có 3 cuộn dây bố trí lệch nhau một góc 1200 nh hình 1.9.

Hình 1.9 - S đồ bố trí ba cuộn dây pha của động c IPMSM

20


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng
Khi nối động c v i nguồn 3 pha thì trong 3 cuộn dây stator sẽ xuất hiện các

dòng điện t

ng ứng là isa, isb, isc thoả m n ph

ng tr nh sau:

isa (t )  is cos(s t )
isb (t )  is cos(s t  2 )
3
isc (t )  is cos(s t  4 )
3

(1.7)

Trong đó: ωs là tần số góc của nguồn cấp cho stator (ωs = 2πfs)
isl bi n độ của dòng pha
fs là tần số của nguồn áp cấp cho stator.
Nếu động c có tải trên 3 cuộn dây cân b ng thì:

isa (t )  isb (t )  isc (t )  0

(1.8)

Trên mặt cắt ngang IPMSM ta thiết lập một hệ tọa độ phức có trục th c đi qua cuộn
dây pha a, ta có thể xây đựng được véc tơ không gian sau:
is (t ) 

0
0
2
isa (t )  isb (t ).e j120  isc (t ).e j 240   is .e j

3

(1.9)

Trong công thức (1.9), véc t is(t) là một đại l ợng phức có mô đun không
đổi, quay trên mặt ph ng phức v i vận tốc góc b ng v i vận tốc của từ tr ờng quay
ωs=2πfs và lệch v i trục th c một góc θ=ωst. Hệ tọa độ đ ợc mô tả nh hình 1.10.

Hình 1.10 - Hệ tọa độ phức cho các đại l ợng pha.
21


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng

Đặt a  e j120 ; a 2  e j 240
0

Ph

0

ng tr nh (1.9) viết gọn lại nh sau:
is (t ) 

2
isa (t )  a.isb (t )  a 2isc (t ) 
3

(1.10)

Từ hình 1.10 ta thấy nếu chiếu is(t) lên các trục của cuộn dây pha ta thu đ ợc
dòng điện của từng pha t

ng ứng. T

ng t th ta cũng có thể xây d ng các véc t

không gian cho các đại l ợng điện áp, từ thông stator:
us (t )  us .e j

(1.11)

 s (t )   s .e j

1.4.1 Xây dựng hệ tọa đ cố định αβ.
Nếu gọi trục th c của mặt ph ng phức nói tr n l α v trục ảo là β.

hi đó ta

cũng dễ d ng thấy r ng h nh chiếu của véc t dòng điện tr n hai trục αβ ký hiệu là
isα và isβ cũng l các đại l ợng h nh sin. úc n y ta có thể thay thế IPMSM 3 pha có
các cuộn dây a, b, c b ng động c v i 2 cuộn dây có trục cố định α và β.
Hệ tọa độ cố định αβ còn được gọi là hệ tọa độ stator vì nó gắn với stator đứng
yên n n dòng điện stator đ ợc biểu diễn nh sau:
is = isa + jisb

(1.12)

Hình 1.11 - Biểu diễn dòng điện stator d
22

i dạng vector không gian α β.


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng

Giả thiết dòng điện trong trong 3 cuộn dây pha của động c l cân b ng, nên khi
có thông tin dòng của 2 pha bất kỳ thì ta sẽ tính đ ợc dòng điện tổng is(t). Ta có
ph

ng tr nh chuyển đổi hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ nh sau:
isa = isa
isb =

T

1
3

(1.13)

(isa + 2isb )

ng t ta có thể biểu diễn các đại l ợng điện áp, từ thông stator trên hệ tọa độ αβ:
us = usa + jusb

(1.14)

y s = y sa + jy sb
1.4.2 Xây dựng hệ tọa đ dq.

Hình 1.12 - Biểu diễn véc t không gian trong hệ tọa độ dq.
Đặt hệ trục tọa độ dq gắn v i rotor có gốc trùng v i gốc của hệ tọa độ αβ nh
trên hình 1.12. Rotor quay quanh trục của nó v i vận tốc ωr nên hệ tọa độ dq cũng
quay gốc tọa độ αβ và tạo v i trục α một góc  r . Ph

ng tr nh biến đổi đại l ợng

dòng từ hệ tọa độ αβ sang hệ trục tọa độ dq:
isd  is .sin r  is .cos r

(1.15)

isq  is .cos r  is .sin r

23

Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng

1.5 Mô hình toán học cho đ n cơ IPM
Trong động c đồng bộ rotor c c ẩn IPMSM từ thông rotor đ ợc sinh ra bởi
những phiến nam châm vĩnh cửu đuợc bố trí trong rotor. IPMSM có một đặc điểm
chính l từ thông của nó phân c c có hu ng nhất quán v cố định tính định hu ng
đó phụ thuộc v o cấu trúc co học của động co. Cho n n IPMSM nếu đ ợc điều
khiển t a theo từ thông rotor th sẽ thuạn lợi hon so v i ĐC ĐB. Bởi v v i
IPMSM góc pha ban đầu θ0 l đ biết tru c v công viẹc điều khiển ở đây l b ng
cách n o đó theo dõi góc pha đó một cách li n tục b ng các thiết bị đo tốc độ góc.

Hình 1.13 - Mô hình hệ trục toạ độ của ĐCĐB v i rotor nam châm chìm
Cũng chính v

u thế n y của IPMSM n n ta có thể xem hệ tọa độ dq của động

co đ ợc xác định nhu trên Hình 1.13 do đó ta có thể áp dụng các phuong pháp điều
khiển tr c tiếp tr n hệ tọa độ dq m không cần quan tâm t i hệ tọa độ αβ nữa. Ở
đây ta cũng chua cần phải quan tâm t i kích thích của đọng co l vĩnh cửu hay
đuợc kích thích ngo i bởi v động c đồng bộ có kích thích vĩnh cửu có thể đuợc
thay thế tuong đuong b ng động c đồng bộ v i cuộn dây kích thích và một dòng
điện kích từ tuong ứng.
Để dễ d ng tiếp cận v i mô h nh toán học của IPMSM ta đua ra một số giả thiết
đon giản sau đây:


IPMSM không bão hòa, quan hệ giữa dòng điẹn v từ thông l tuyến tính.



Các dây quấn bố trí tr n mạch từ của IPMSM tạo n n sức từ động phân bố

chu kỳ h nh sin nghĩa l ch chú ý t i phân bố không gian của hàm điều hòa bậc

24


Ch

ng I: Tổng quan động c đồng bộ IPM & các ứng dụng

nhất.


Giả thiết tiết diẹn của dây quấn đủ nhỏ để mật độ dòng điện phân bố đều kết

cấu đối xứng.


hi đó phuong tr nh điện áp của cuộn dây stator có dạng:
dy sa (t)
dt
dy sb (t)
usb (t) = Rs isb +
dt
dy sc (t)

usc (t) = Rs isc +
dt
usa (t) = Rs isa +

(1.16)

Biểu thức (1.16) có thể đ ợc viết lại d
us (t) = Rs .is (t) +

i dạng rút gọn nh sau:

dy s (t)
dt

(1.17)

Vì phuong trình (1.17) đuợc viết tr n hệ tọa độ stator (cũng l hệ tọa độ cố định
αβ để rõ h n ta ký hiẹu chữ s l n tr n phía tr n để ký hiẹu cho hệ tọa độ đ ợc biểu
diễn, phuong trình (1.17) đuợc viết lại nh sau:
dy ss (t)
u (t) = R .i (t) +
dt
s
s

s
s s

(1.18)

Sử dụng công thức (1.11 đối v i dòng điện điện áp và từ thông
u ss = u sf.e jq r
i ss = i sf.e

jq r

y ss = y sf.e jq

(1.19)
r

Trong đó f là hệ toạ độ t a từ thông rotor có chung gốc O v i hệ tọa độ cố
định. q r là góc lệch giữa trục của rotor v i trục chuẩn a hay còn gọi là vị trí góc
rotor.
Lấy đạo hàm Ψs(t) trong biểu thức (1.19) ta có:

25