Điều khiển thông minh động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp rfoc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH ĐỘNG CƠ
ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG
PHƯƠNG PHÁP RFOC

SVTH: NGUYỄN THANH TÙNG
CBHD: TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC

TP.HỒ CHÍ MINH, 07/2007


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Phạm Đình Trực

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ............................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ............................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại : HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC
SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ….. tháng ….. năm 2007

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN THANH TÙNG

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04/06/1982

Nơi sinh: Hải Dương

Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện

MSHV: 01805472

I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM
CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP RFOC
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- RFOC của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu với phương pháp điều khiển dòng
bằng phương pháp vòng trễ;
- RFOC của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu với phương pháp điều khiển dòng
bằng phương pháp so sánh kết hợp khối PI;
- RFOC của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu với bộ điều khiển vận tốc dùng PI
– Fuzzy.

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ...................................... .... ...............................
IV- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thơng qua.
Ngày tháng năm
TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

.....................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................

.............................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, Ngày … tháng … năm 2007


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 1

.....................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, Ngày … tháng … năm 2007


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 2

.....................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................

.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, Ngày … tháng … năm 2007


LỜI CẢM ƠN
Đặc biệt cảm ơn thầy TS. Phạm Đình Trực đã cho tôi cơ hội được nghiên cứu
dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình để tơi hồn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cô trong khoa Điện – Điện tử trường Đại
học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình dạy tơi trong suốt khóa học tại trường.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã cổ vũ và động viên tôi trong suốt thời gian qua.
Xin cảm ơn cơ quan QUATEST 3 đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hồn thành khóa
học này.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 05/07/2007

Nguyễn Thanh Tùng

I

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, do sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của điện tử
cơng suất, vi xử lý và các bộ xử lý tín hiệu số, các bộ truyền động AC điều khiển vecto
đã được ứng dụng mạnh mẽ trong các bộ điều khiển thông minh, trong các ứng dụng
đòi hỏi sự điều khiển một cách chính xác tốc độ, vị trí, momen điện từ…
Với đặc những đặc điểm như tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ công suất/ khối
lượng máy điện cao, hiệu suất cao cùng với nhiều ưu điểm khác, máy điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phương pháp điều
khiển định hướng tự theo trường là phương pháp thường được sử dụng cho truyền
động máy điện động bộ nam châm vĩnh cửu. Với phương pháp này máy điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu có những đặc tính tương tự như máy điện DC do momen điện từ
sẽ tỷ lệ với dòng điện stator.
Trong luận văn này phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink sẽ được sử dụng để
xây dựng mơ hình mơ phỏng cho việc điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu, thu thập dữ liệu và quan sát các đáp ứng với những điều kiện thay đổi thực tế
được bỏ qua.
Cấu trúc luận văn
- Chương 1: GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
- Chương 2: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR ĐỘNG CƠ ĐỒNG
BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
- Chương 3 : MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH
CỬU VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN VÒNG TRỄ
- Chương 4 : MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH
CỬU VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN SO SÁNH
- Chương 5 : MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH
CỬU VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN SO SÁNH VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID – FUZZY
- Chương 6: KẾT LUẬN

II

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ I
LỜI NĨI ĐẦU...............................................................................................................II
BẢNG BIỂU................................................................................................................ VI
HÌNH VẼ ....................................................................................................................VII
CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ................................................................................ IX
Chương 1: GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
1.1. Giới thiệu chung................................................................................................1
1.2. Ứng dụng...........................................................................................................1
1.3. Cấu trúc của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ......................................2
1.3.1. Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt rotor (surface
mounted magnets ) ........................................................................................3
1.3.2. Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đặt bên trong rotor (interior
magnets ) .......................................................................................................4
1.4. Vật liệu nam châm vĩnh cửu ............................................................................4
1.5. Mơ hình tốn học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu .........................5
1.6. Kết luận............................................................................................................9
Chương 2: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR ĐỘNG CƠ
ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
2.1. Điều khiển định hướng từ thông rotor động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 10
2.2. Các phương pháp điều khiển dòng..................................................................12
2.2.1. Điều khiển vòng trễ...........................................................................13
2.2.2 . Điều khiển so sánh ...........................................................................14
2.3. Bộ điều khiển PID...........................................................................................16
2.3.1. Bộ điều khiển PID truyền thống .......................................................16
2.3.2 . Bộ điều khiển PID – Fuzzy..............................................................18

III

2.4. Kết luận ...........................................................................................................18
Chương 3 : MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊNG TRỄ
3.1. Mơ hình mơ phỏng điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu với bộ
điều khiển vịng trễ.................................................................................................19
3.1.1 Mơ hình mơ phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ................20
3.1.2 Mơ hình mơ phỏng bộ điều khiển vịng trễ và bộ nghịch lưu............23
3.1.3 Mơ hình mô phỏng bộ biến đổi từ hệ trục d-q sang hệ trục 3 pha .....24
3.1.4 Mơ hình bơ PID với hai khâu setpoint weighting và anti – windup ..25
3.2 Kết quả mô phỏng ............................................................................................27
3.2.1 Động cơ không tải với vận tốc định mức...........................................28
3.2.2. Động cơ tải định mức........................................................................30
3.2.3. Động cơ khơng tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức có đổi
chiều ............................................................................................................32
3.3. Kết luận ...........................................................................................................33
Chương 4 : MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN SO SÁNH
4.1. Mơ hình mơ phỏng điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu với bộ
điều khiển so sánh ..................................................................................................34
4.2 So sánh điều khiển so sánh và điều khiển vịng trễ..........................................35
4.2.1 Động cơ khơng tải với vận tốc định mức...........................................35
4.2.2. Động cơ tải định mức........................................................................38
4.2.3. Động cơ khơng tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức có đổi
chiều ............................................................................................................41
4.3. Kết luận .........................................................................................................43
Chương 5 : MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN SO SÁNH VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID –
FUZZY

5.1. Mơ hình mơ phỏng điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu với bộ
điều khiển PID – Fuzzy..........................................................................................45
IV


5.1.1 Mơ hình mơ phỏng.............................................................................45
5.1.2 Hàm thành viên ..................................................................................47
5.1.3 Luật mờ ..............................................................................................49
5.2 So sánh điều khiển so sánh – PID anti windup và điều khiển so sánh – PID –
Fuzzy ......................................................................................................................52
5.2.1 Động cơ không tải với vận tốc định mức...........................................52
5.2.2. Động cơ tải định mức........................................................................55
5.2.3. Động cơ không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức có đổi
chiều ............................................................................................................58
5.3 So sánh điều khiển so sánh – PID – Fuzzy và điều khiển vịng trễ .................61
5.3.1 Động cơ khơng tải với vận tốc định mức...........................................61
5.3.2. Động cơ tải định mức........................................................................64
5.3.3. Động cơ khơng tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức có đổi
chiều ............................................................................................................67
5.4. Kết luận ..........................................................................................................70
Chương 6: KẾT LUẬN
6.1 Phân tích kết quả
6.1.1. Phân tích kết quả mơ phỏng điểu khiển vịng trễ và điều khiển so
sánh .............................................................................................................71
6.1.2. Phân tích kết quả mơ phỏng điều khiển so sánh với bộ điều khiển
PID – Fuzzy ................................................................................................72
6.2 Nhận xét chung ................................................................................................72
6.2.1 Nhận xét .............................................................................................72
6.2.2 Kết luận ..............................................................................................73
6.3 Kiến nghị, đề xuất mở rộng..............................................................................73

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................75

V


Bảng biểu
Bảng 3.1 Thông số động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu...........................................21
Bảng 3.2 Trạng thái đóng ngắt.....................................................................................23
Bảng 5.1 Luật mờ của KP .............................................................................................50
Bảng 5.2 Luật mờ của TI ..............................................................................................50

VI


Hình vẽ

Hình 1.1 Ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong xe hơi chạy điện .2
Hình 1.2 Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt..................................3
Hình 1.3 Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đặt bên trong rotor.............................4
Hình 1.4 Đặc tính mật độ từ thông và từ trường của một số loại vật liệu ......................5
Hình 1.5 Các cuộn dây và hệ tọa độ ...............................................................................7
Hình 1.6 Mạch tương đương của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm
gắn trên bề mặt rotor........................................................................................................8
Hình 2.1 Vecto từ thơng và dịng điện ở chế độ động cơ ở vùng tốc độ cơ bản ..........11
Hình 2.2 Điều khiển vịng trễ trong truyền động máy điện đồng bộ nam châm vĩnh
cửu .................................................................................................................................13
Hình 2.3 Sơ đồ ngun lý điều khiển vịng trễ .............................................................14
Hình 2.4 Điều khiển so sánh trong truyền động PMSM...............................................15
Hình 3.1 Mơ hình mơ phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu với bộ điều khiển
vịng trễ ..........................................................................................................................19

Hình 3.2 Mơ phỏng tổng quan hệ thống động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu với bộ
điều khiển vịng trễ ........................................................................................................20
Hình 3.3 Mơ phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu .........................................22
Hình 3.4 Giao diện nhập thông số động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu....................22
Hình 3.5 Mơ hình mơ phỏng khối điều khiển dịng.....................................................23
Hình 3.6 Mơ phỏng mơ phỏng bộ biến đổi dịng điện từ hệ trục d-q sang hệ trục 3
pha .................................................................................................................................24
Hình 3.7 Mơ hình mơ phỏng bộ PID với anti-windup và setpoint weighting .............26
Hình 3.8 Giao diện nhập thơng số của bộ PID ............................................................26
Hình 3.9 Giao diện chỉnh định và nhập thời gian mơ phỏng.......................................27
Hình 4.1 Mơ hình mơ phỏng khối điều khiển dòng......................................................34

VII


Hình 5.1 Mơ hình mơ phỏng điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu với bộ
điều khiển PID-Fuzzy....................................................................................................44
Hình 5.2 Mơ hình mơ phỏng khối PID-Fuzzy.............................................................45
Hình 5.3 Mơ hình Fuzzy Logic....................................................................................45
Hình 5.4 Giao diện soạn thảo Fuzzy Logic trên Matlap..............................................46
Hình 5.5 Hàm thành viên của sai số tốc độ e(t) ..........................................................46
Hình 5.6 Hàm thành viên của độ dốc sai số tốc độ de/dt.............................................47
Hình 5.7 Hàm thành viên của KP ................................................................................ 47
Hình 5.8 Hàm thành viên của TI..................................................................................47
Hình 5.9 Giao diện soạn thảo luật mờ .........................................................................48
Hình 5.10 Luật mờ .......................................................................................................49
Hình 5.11 Đáp ứng của ngõ ra theo ngõ vào trong không gian...................................49

VIII

Chữ viết tắt và ký hiệu

vds, vqs

Điện áp stator trong hệ trục d-q

vf

Điện áp trên cuộn kích từ

ids, iqs

Điện áp stator trong hệ trục d-q

if

Dịng điện chạy trong cuộn kích từ

ψds, ψqs

Từ thông stator trong hệ trục d-q

ψf

Từ thông cuộn kích từ

ψm

Từ thơng nam châm vĩnh cửu

Te

Momen điện từ

TL

Momen tải

Rs

Điện trở cuộn dây stator

Rf

Điện trở cuộn kích từ

Ls

Điện cảm cuộn dây stator

Lf

Điện cảm cuộn kích từ

Lm

Điện cảm từ hóa

J

Momen qn tính

P

Số đơi cực

d-q

Hệ trục tọa độ quay

PWM

Pulse Width Modulation

IX


Chương 1: GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chương 1
GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU

1.1. Giới thiệu chung:
Máy điện đồng bộ với cuộn rotor được kích từ bao gồm cuộn dây 3 pha stator (
gọi là phần ứng ) và cuộn dây rotor mang dịng điện kích từ DC [2]. Ngồi ra trên rotor
cịn có thêm cuộn cản. Cuộn dây phần ứng tương tự cuộn stator của máy điện không
đồng bộ. Máy điện đồng bộ quay với một tốc độ đồng bộ tùy thuộc vào tần số của
nguồn cung cấp và số đôi cực. Cuộn kích từ có thể được thay thế bằng nam châm vĩnh

cửu. Sự thay thế này có nhiều lợi ích như khơng cần đến chổi than, vịng trượt, và tổn
hao đồng trên cuộn kích do đó dẫn đến hiệu suất cao hơn. Do tổn hao đồng và tổn hao
sắt chủ yếu tập trung trên stator cho nên việc làm mát máy thông qua stator sẽ đạt
được dễ dàng hơn. Hiệu suất cao của máy cho phép giảm được kích thước của máy.
Ngồi ra,với cùng một kích thước như nhau, việc sử dụng nam châm vĩnh cửu còn cho
phép thay đổi đặc tính của máy tùy thuộc vào loại nam châm vĩnh cửu được sử dụng
và cách thức sắp đặt của chúng trên rotor. Có thể chia máy điện đồng bộ nam châm
vĩnh cửu (PMSM) thành hai nhóm chủ yếu sau:
- Máy điện DC không dùng chổi than ( Brushless DC machine ) được cấp nguồn
thơng qua biến tần dịng và từ thơng có dạng xung.
- Máy điện đồng bộ có từ thơng khe hở khơng khí có dạng sin, dịng điện stator
có dạng sin

1.2. Ứng dụng:
Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi trong các máy cơng
cụ có cơng suất nhỏ và sử dụng cho robot, tuy nhiên những máy có cơng suất lớn đến 1
MW cũng đã được sử dụng , như trong làm động cơ đẩy cho tàu thủy. Ngồi ra, cũng
có thể được ứng dụng trong lĩnh vực phát điện, các ứng dụng sử dụng năng lượng mặt
trời, năng lượng gió.
Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh ứng dụng điều khiển vecto của có thể đáp ứng
được những yêu cầu trong những ứng dụng như truyền động cho cánh tay máy hay các
robot trong công nghiệp mà các máy điện đồng bộ truyền thống khơng thể đáp ứng
được. Các u cầu đó là:
-

Mật độ từ thơng trong khe hở khơng khí lớn.
Tỷ lệ công suất/ khối lượng máy điện cao ( công suất lớn nhất có thể của
động cơ/ khối lượng động cơ
Tỷ lệ momen/ qn tính lớn ( có thể tăng tốc nhanh)
Vận hành nhẹ nhàng ( dao động của momen nhỏ ) thậm chí ở tốc độ thấp (để

đạt được sự điều khiển vị trí một cách chính xác)
1


Chương 1: GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

-

Momen điều khiển được ở tốc độ bằng không
Vận hành ở tốc độ cao
Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn
Hiệu suất cao và cos φ lớn ( để giảm chi phí cho nguồn cung cấp )
Kết cấu gọn

Hình 1.1: Ứng dụng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong xe hơi chạy
điện.

1.3. Cấu trúc của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
Có nhiều loại nam châm có thể được sử dụng để gắn vào rotor. Có thể sử dụng
nam châm được cấu tạo từ SmCO5, Sm2CO17 hay NdFeB, những loại này có thể tránh
được hiện tượng khử từ. Nam châm được gắn vào rotor bằng chất có độ kết dính cao.
Để đạt được lực cơ lớn, đặc biệt khi vận hành với tốc độ cao, khe hở khơng khí được
phủ bằng vật liệu khơng có từ tính, cịn rotor có thể được phủ bằng vật liệu có độ bền
cao chẳng hạn như sợi thủy tinh. Tuy nhiên hiện tại việc sử dụng nam châm trên có giá
thành khá cao, tuy nhiên điều này có thể thay đổi trong tương lai với những sự phát
triển mới. Ngoài ra, cũng cần phải cải thiện đặc tính của nam châm NdFeB ( hiện tại
nam châm loại này khi nhiệt độ tăng thì cường độ từ trường sẽ bị giảm ). Tùy theo cấu
trúc của thanh nam châm vĩnh cửu được gắn trên rotor có thể chia máy điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu thành hai dạng : máy điện có nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt
của rotor và máy điện có nam châm vĩnh cửu đặt bên trong rotor.

2


Chương 1: GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

1.3.1. Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt rotor ( surface
mounted magnets )
Hình 1.2 là máy điện đồng bộ có nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt rotor.
Máy điện có nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của rotor. Thiết kế và cấu trúc
của stator và các cuộn dây tương tự như trong các máy điện đồng bộ truyền thống.
Nam châm vĩnh cửu được đặt trên bề mặt của rotor và được gắn chặt vào rotor, các
nam châm có dạng cung trịn và do đó từ thơng tạo ra bởi các nam châm trong khe hở
khơng khí là hình sin. Do các thanh nam châm có độ thẩm từ rất nhỏ so với sắt cho nên
ảnh hưởng của khe hở khơng khí lên máy là lớn. Thơng thường giả thiết khi phân tích
máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu là khe hở khơng khí là đồng dạng.

Hình 1.2 : Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt [1]
Trong trường hợp các thanh nam châm được gắn trên bề mặt của rotor, sự gia
tăng của độ thẩm từ do từ trường bên ngoài là 1,02 – 1,2. Chúng có cường độ từ
trường lớn, cho nên có thể xem máy điện có khe hở khơng khí lớn, do đó có thể bỏ qua
hiện tượng cực lồi ( điều này dẫn đến điện cảm từ hóa trên trục d bằng với điện cảm
từ hóa trên trục q, Lmd = Lmq = Lm ). Hơn nữa, do khe hở khơng khí lớn, điện cảm
đồng bộ ( Ls = Lsl + Lm ) nhỏ và vì vậy có thể bỏ qua hiện tượng phản ứng phần ứng.
Một hệ quả của khe hở khơng khí lớn là hằng số điện của cuộn stator nhỏ. Nam châm
có thể có nhiều dạng. Nam châm có dạng thanh và dạng cung với góc lên đến 90o và
độ dày khoảng vài milimét. Nam châm dạng cung tạo ra một từ thơng trong khe hở
khơng khí bằng phẳng và momen ít dao động. Sự dao động của momen có thể được
giảm bằng cách thiết kế cuộn stator thích hợp.
1.3.2. Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đặt bên trong rotor ( interior
magnets )

Một dạng cấu trúc khác của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác với cấu
trúc được miêu tả ở phần trên do vị trí của các thanh nam châm. Trong cấu trúc này,
như trong hình 1.3, các thanh nam châm được đặt ở phía trong của rotor. Máy điện có
các thanh nam châm đặt phía trong rotor cũng giống như các máy điện đồng bộ cực lồi
(Lq ≠ Ld ). Tuy nhiên không giống với các máy điện đồng bộ cực lồi truyền thống, tỷ lệ
của điện cảm theo trục d và q thông thường là Lq > Ld. Do các thanh nam châm được
đặt bên trong rotor, ảnh hưởng của khe hở khơng khí nhỏ hơn nhiều so với máy điện
3


Chương 1: GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

có các thanh nam châm đặt bên ngồi rotor. Đặc tính này cho phép có thể dễ dàng vận
hành trong vùng từ trường yếu mà rất khó trong trường hợp máy điện có các thanh
nam châm gắn bên ngồi rotor. Máy điện có thanh nam châm gắn bên trong rotor có
thể cso dạng như trong hình 1.3a hay cũng có thể có dạng hình vng như trong hình
1.3b. Do khe hở khơng khí là khơng đồng dạng cho nên hệ thống điều khiển phức tạp
hơn nhiều so với máy điện có nam châm gắn bên ngồi rotor, do momen tạo ra bao
gồm cả hai thành phần cơ bản và thanh phần cưỡng bức.

Hình 1.3 : Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đặt bên trong rotor [1]

1.4. Vật liệu nam châm vĩnh cửu
Đặc tính của vật liệu nam châm vĩnh cửu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự hoạt
động của động cơ và cần phải có kiến thức đúng để lựa chọn vật liệu và hiểu rõ về
động cơ nam châm vĩnh cửu.
Vật liệu được sử dụng sớm nhất để làm nam châm vĩnh cửu là thép. Nam châm
được làm từ thép có thể từ hóa một cách dễ dàng. Tuy nhiên, chúng khơng tích trữ
được nhiều năng lượng và dễ bị khử từ. Trong những năm gần đây, các vật liệu từ
khác như hợp kim nhôm, Niken, Coban (ALNICO), Strongti Ferit hay Bari Ferit,

Samarium Coban (SmCo) và Neodymium Iron-Boron (NdFeB) đã được phát triển và
sử dụng cho nam châm vĩnh cửu.
Vật liệu từ hiếm được chia thành hai loại: Samarium Coban (SmCo) và
Neodymium Iron Boron (NdFeB). SmCo có mật độ từ thơng cao nhưng chúng rất đắt.
NdFeB thì được sử dụng nhiều hơn trong các động cơ ngày nay. Đồ thị mật độ từ
thông và từ trường cho các vật liệu này được cho trong hình 1.4

4


Chương 1: GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Hình 1.4: Đặc tính mật độ từ thơng và từ trường của một số loại vật liệu

1.5. Mơ hình toán học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Do từ thông và sức từ động ở một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là có
dạng sin nên các lý thuyết chung về máy điện có thể được ứng dụng để xây dựng mơ
hình một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Có thể bắt đầu bằng việc sử dụng mơ
hình của một động cơ đồng bộ ba pha với cuộn kích từ trên rotor ( khơng có cuộn hãm
trên rotor), hệ quy chiếu được gắn với rotor. Mơ hình này có thể đạt được bằng cách
biến đổi các phương trình của động cơ đồng bộ ba pha sang hệ tọa độ gắn với rotor.
Giả sử khe hở khơng khí là đồng dạng, vì vậy điện cảm d-q là bằng nhau. Điều này có
giá trị với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được đề cập ở trong phần này. Do hệ
tọa độ được gắn với rotor cho nên ωa=ω. Tuy nhiên, do rotor mang nam châm vĩnh cửu
cho nên tốc độ tức thời của rotor bằng với tốc độ quay của từ thông rotor. Vì vậy
ωa=ω=ωr. Ta có các phương trình sau:

v ds = R si ds +

dψ ds

− ωr ψ qs
dt

v qs = R si qs +

dψ qs
+ ωr ψ ds
dt

(1.1)

5


Chương 1: GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

dψ f
dt

(1.2)

J dωr
P dt

(1.3)

vf = R f if +
Te = TL +

ψ ds = L si ds + L mi f

(1.4)

ψ qs = Lsi qs
ψ f = L f i f + L mi ds

(1.5)

3
Te = P(ψ dsi qs − ψ qsi ds )
2

(1.6)

Từ (1.1) – (1.6) chỉ số s là cuộn dây stator và f là cuộn kích từ rotor. Do hệ tọa
độ được gắn với rotor cho nên sức điện động chỉ được biến đổi ở sang các phương
trình stator. Điều này đưa đến kết luận là trục d của hệ tọa độ chung và trục của rotor
mang nam châm vĩnh cửu (trục của cuộn kích từ) là trùng nhau. Các phương trình thể
hiện mối liên hệ giữa các biến trong hệ tọa độ ba pha và các biến trong hệ tọa độ d-q
như sau:

2
2π 
4π 


v ds = v a cos θ + v b cos θ −  + v c cos θ − 
3
3 
3 




(1.7)

2
2π 
4π  


v qs = − v a sin θ + v b sin  θ −  + v c sin θ − 
3
3 
3 


i a = i ds cos θ − i qs sin θ

(1.8)

2π 
2π 


i b = i ds cos θ −  − i qs sin θ − 
3 
3 


4π 

4π 


i c = i ds cos θ −  − i qs sin  θ − 
3 
3 


Góc θ trong các phương trình (1.7) – (1.8) xác định vị trí của trục d so với trục
đứng yên a:
t

θ = ∫ ωr (τ)dτ + θ(0)

(1.9)

0

Hình minh họa các cuộn dây của động cơ và hệ tọa độ được cho trong hình 1.5
6


Chương 1: GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Hình 1.5: Các cuộn dây và hệ tọa độ[1]
Trong trường hợp động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì mơ hình này tương
đối đơn giản. Vai trị của cuộn kích từ được thay bằng các nam châm vĩnh cửu. Sức
điện động cảm ứng lên các cuộn stator do từ thơng của nam châm vĩnh cửu là dạng sin.
Vì vậy phương trình (1.2) và (1.5) có thể bỏ qua trong mơ hình tốn học và nam châm
vĩnh cửu được xem như là nguồn tạo ra từ thơng rị cố định. Mạch tương đương của

rotor của một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hình 1.5 cho phép mơ hình
hóa rotor tương ứng với các lý thuyết chung về máy điện. Vecto khơng gian của dịng
điện rotor với hệ tọa độ gắn với rotor cho bởi:

i −r =

2
2
i ar + a i br + a i cr = I f
−
−
3

(

)

Trong đó a = e
−

j

2π
3

(1.10)

và

i ar = I f , i br = −

If
I
, i cr = − f
2
2

(1.11)

Hình 1.6 : Mạch tương đương của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam
châm gắn trên bề mặt rotor[1]
7


Chương 1: GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Trong phương trình (1.11) If tương đương với dịng điện kích từ. Do đó từ thơng
móc vịng tạo bởi nam châm vĩnh cửu có thể được biểu diễn dưới dịng điện kích từ
như sau:

ψ m = L m If

(1.12)

Và giá trị của nó là một hằng số và nằm thẳng hàng với trục d trong không gian.
Từ các xem xét trên các phương trình (1.1) – (1.6) được

v ds = R si ds +

dψ ds

− ωr ψ qs
dt

v qs = R si qs +

dψ qs
+ ωr ψ ds
dt

(1.13)

ψ ds = L si ds + ψ m

(1.14)

ψ qs = Lsi qs
Và

Te = TL +

J dω
P dt

(1.15)

3
Te = P(ψ dsi qs − ψ qsi ds )
2
Thay phương trình (1.14) và phương trình (1.13) và (1.15) cho ta mơ hình tốn
học mơ tả một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (s≡d/dt)

v ds = (R s + sL s )i ds − ωr L s ψ qs

(1.16)

v qs = (R s + sL s )i qs + ωr L s ψ ds + ωr ψ m

(1.17)

Te = TL +

J d ωr
P dt

(1.18)

3
Te = Pψ m i qs
2

(1.19)

Một đặc tính rất quan trọng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nó chỉ
có thể hoạt động khi vị trí của rotor có thể đo được hay ước lượng được. Nói cách khác
động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không thể sử dụng cho các vận hành chính ( điều
này trái ngược với động cơ đồng bộ truyền thống ) do nó khơng có cuộn hãm và khơng
thể tự khởi động. Điều này nhấn mạnh rằng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được
8

Chương 1: GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

ứng dụng chủ yếu cho các truyền động thay đổi tốc độ và luôn được cấp nguồn bởi
một bộ biến tần trong một hệ điều khiển thích hợp. Việc cần thiết phải xác định vị trí
của rotor khơng là một trở ngại trong các trường hợp mà động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu được sử dụng cho các ứng dụng điều khiển vị trí, do các ứng dụng này ln
địi hỏi phải có các cảm biến vị trí. Một hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu địi hỏi phải có các cảm biến vị trí có độ chính xác cao, điều này làm
tăng đáng kể chi phí của tồn bộ bộ truyền động.

1.6. Kết luận:
Chương 1 đã giới thiệu về máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, sự phân loại
và các ứng dụng. Ngồi ra mơ hình tốn học của một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu có nam châm đặt trên bề mặt rotor cũng được đưa ra ở đây. Ở chương tiếp theo ta
sẽ trình bày về phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu định
hướng theo từ thông rotor.

9


Chương 2 : ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR CỦA PMSM

Chương 2
ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR ĐỘNG CƠ
ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

2.1. Điều khiển định hướng từ thông rotor động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu
Phương trình động của một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được cho bởi

v ds = (R s + sL s )i ds − ωr L s ψ qs

(2.1)

v qs = (R s + sL s )i qs + ωr L s ψ ds + ωr ψ m

3
Te = Pψ m i qs
2
Mơ hình này được xem như đơn giản hơn so với mơ hình động của một động cơ
cảm ứng. Có hai ngun nhân chính. Thứ nhất, do động cơ là đồng bộ cho nên tốc độ
của rotor và tốc độ của vecto từ thông rotor là luôn bằng nhau, vì vậy độ trượt là khơng
có. Lý do thứ hai là do trên rotor khơng có cuộn dây cho nên khơng có các phương
trình cho mạch của rotor.
Phương trình momen ở (2.1) chỉ ra rằng, nếu có thể điều khiển tức thời dịng
điện stator theo trục q thì có thể điều khiển momen một cách tức thời.
Do từ thông của nam châm vĩnh cửu được cố định với rotor và trục tọa độ cũng
gắn với rotor cho nên hệ trục của từ thông rotor và trục d là giống nhau. Nói cách khác
phương trình (2.1) đã mơ tả động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cử định hướng từ thông
rotor do trục tọa độ được chọn gắn với rotor và hướng của từ thông nam châm vĩnh
cửu trùng với trục d. Vì vậy góc tức thời của vị trí rotor bằng với vị trí tức thời của
vecto từ thông rotor Φr
θ = Φr

(2.2)

Do từ thông rotor nằm dọc theo trục d và được xác định bởi nam châm vĩnh cửu,
điều khiển định hướng từ thơng rotor có thể đạt được với từ thông cố định bằng cách
giữ cho thanh phần stator ở trục d bằng 0. Nói cách khác, là khơng cần phải từ hóa
động cơ bằng cách sử dụng một thành phần dòng điện stator như trong trường hợp của

một máy điện cảm ứng. Thành phần tức thời theo trục q của stator, mà vng góc với
trục d phải được giữ ở một góc 90º so với từ thông rotor dọc trục d. Sự vận hành như
vậy sẽ tạo ra một từ thông cố định khi vận hành ở dải tốc độ cơ bản. Vì thế vecto
khơng gian dòng điện statord được cho bởi

i −s = i ds + ji qs = ji qs = Is e jδ

δ = π/2
10

(2.3)