Nghiên cứu các phương pháp điều chế PWM bộ biến đổi cho động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm dùng trong ô tô điện

..

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu các phương pháp điều
chế PWM bộ biến đổi cho động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm dùng trong ô tô
điện” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Ts. Tạ Cao Minh. Các số
liệu và kết quả mơ phỏng là hồn tồn xác thực, đã được kiểm tra.
Để hoàn thành đồ án này, em chỉ sử dụng những tài liệu đã được liệt kê trong
phần Phụ lục - Tài liệu tham khảo ở cuối quyển đồ án mà không sử dụng bất kỳ một
tài liệu nào khác. Nếu phát hiện ra có sự sao chép, em xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm.
Học viên

Nguyễn Minh Tiến


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu
LỜI NÓI ĐẦU
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN
1.1. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA Ơ TƠ ĐIỆN…………........................ii
1.2. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN.................................................................................ii
1.3. ĐỘNG CƠ TRONG Ô TÔ ĐIỆN...............................................................................6
1.3.1. Đặc tính hoạt động của động cơ trong ơ tô điện.................................................6
1.3.2. Các loại động cơ dùng trong ô tô điện..............................................................7
Chương 2 - MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ IPM..........................................10
2.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU....................10
2.2.

CẤU
TẠO
VÀ
PHÂN
LOẠI……………...........................................................Error! Bookmark not defined.
2.2.1.
Kết
cấu
động
cơ
đồng
bộ
nam
châm
vĩnh
cửu..............................................Error! Bookmark not defined.1
2.2.2. Phân loại……..…………………….................................................................ii
2.2.3.
Vật
liệu
nam
châm
vĩnh
cửu………………..................................................ii2
2.3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC...............................................................ii
2.3.1.
Hệ
phương
trình
cơ

bản
của
động
cơ...........................................................Error! Bookmark not defined.4
2.3.2. Mơ tả toán học của động cơ trên hệ tọa độ d-q……………………………......15
2.3.2.1. Mơ tả tốn học.…………….................................................................15
2.3.2.2. Đồ thị véc tơ….……………................................................................17
Chương 3 - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IPM...................................19
3.1. ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA TỪ THÔNG STATOR……………………...........21
3.1.1. Nguyên lý điều chỉnh……………..............................................................21
3.1.2. Xử lý tín hiệu phản hồi…………………........................................................27
3.1.3. Điều chỉnh giảm từ thơng ở chế độ điện áp vuông (SW)...............................28
3.2. ĐIỀU KHIỂN VEC TƠ TỰA TỪ THÔNG ROTOR..........................................33
Chương 4 - CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU BIẾN PWM CHO
ĐỘNG CƠ IPM..................................................................................................................37
4.1. BỘ BIẾN ĐỔI DÙNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN..........................................................37
4.1.1 Bộ biến đổi……….…………………………................................................38
4.1.2.Lựa chọn bộ biến đổi dùng trong ô tô điện………….......................................40
4.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ PWM…………………….........................40
4.2.1. PWM dùng sóng mang ……………………….................................................42


4.2.1.1. PWM hình sin…………………………………….....................................42
4.2.1.2. Điều chế hình sin dùng sóng mang với tín hiệu thứ tự khơng (ZSS)............43
4.2.2. Điều chế véc tơ khơng gian (SVM)....................................................................45
4.2.3. So sánh PWM dùng sóng mang với PWM véc tơ không gian...........................49
4.2.4. Quá điều biến……………………………………….........................................50
Chương 5 - MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .....................55
5.1. TÍNH TỐN CÁC THAM SỐ CẦN THIẾT ……..................................................55
5.2. MƠ PHỎNG HỆ TRUYỀN

ĐỘNG.........................................................................Error! Bookmark not defined.
5.2.1. Kết quả mơ phỏng ở vùng tốc độ thấp ( ở 100rad/s)……..................................58
5.2.1.1. Điều chế sóng mang.....................................................................................58
5.2.1.2. Điều chế véc tơ khơng
gian……………………………………………......Error! Bookmark not defined.
5.2.2. Kết quả mô phỏng ở vùng tốc độ cao ( ở
200rad/s)…..........................................Error! Bookmark not defined.
5.2.2.1. Điều chế sóng
mang……………………………………….........................Error! Bookmark not
defined.
5.2.2.2. Điều chế sóng mang tín hiệu thứ tự khơng
ZSS……..................................Error! Bookmark not defined.
5.2.2.3. Điều chế véc tơ không gian……..................................................................67
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU
1.KẾT LUẬN
2. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, NXB khoa
học và kỹ thuật, Hà Nội 2004.
2. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Ðiều chỉnh tự
động truyền động điện, NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2004.
3. Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh, Điều khiển động cơ xoay
chiều cấp từ biến tần bán dẫn, NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2003.
4. Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB
Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1996.
5. Nguyễn Phùng Quang, Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội,
2002.
6. Nguyễn Phùng Quang, Matlab/Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa

học kỹ thuật Hà Nội, 2002.
7. Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu, Máy điện I - II, NXB
Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001.
8. Nguyễn Đình Thắng, Vật liệu kỹ thuật điện, Trường ĐHBK HN, 2004.
9. Võ Thu Hà, “Nghiên cứu hoàn thiện hệ truyền động điều khiển trực tiếp mômen động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu”, Luận văn thạc sỹ, bộ môn Tự Động Hóa trường
ĐHBK HN 2004.
10. Lê Hồng Hải, “Nâng cao chất lượng hệ truyền động biến tần - động cơ đồng bộ kích từ
nam châm vĩnh cửu”, Luận văn thạc sỹ, bộ mơn Tự Động Hóa trường ĐHBK HN
2006.
11. B. K. Bose, Modern Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall, Upper Saddle
River, NJ, 2002.
12. H. Wayne Beaty, James L. Kirtley, Electric Motor Handbook, McGraw-Hill Prof., June
1998.
13. SimPowerSystems For Use with Simulink, TransÉnergie Technologies Inc., HydroQuébec, and The MathWorks, Inc. 2002.
14. Morimoto S., Takeda Y., Hirasa T., Taniguchi K., “Expansion of operating limits for
permanent magnet motor by currentvector control considering inverter capacity”,
IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 26, Issue 5, pp. 866 - 871, Sep/Oct 1990.
15. Morimoto S., Sanada M., Takeda Y., “Wide-speed operation of interior permanent
magnet synchronous motors with high-performance current regulator”, IEEE Trans.
Ind. Appl., vol. 30, pp. 920-926, Aug. 1994.
16. Morimoto S., Ueno T., Sanada M., Yamagiwa A., Takeda Y., Hirasa T., “Effects and
compensation of magnetic saturation in permanent magnetsynchronous motor drives”,
Proc. IEEE IAS Ann. Meet., pp 59-64, 1993.


17. Morimoto S., Hatanaka K., Tong Y., Takeda Y., Hirasa T., “Servo drive system and
control characteristics of salient pole permanent magnet synchronous motor”, IEEE
trans. Ind. Appl., vol. 29, pp. 338-343, Mar/Apr 1993.
18. Thomas M. Jahns, “Flux-Weakening Regime Operation of an Interior PermanentMagnet Synchronous Motor Drive”, IEEE Trans. Ind. Appl., pp. 681-689, vol. IA-23,

No. 4, Jul./Aug. 1987.
19. Soong W.L., Miller T.J.E., “Field-weakening performance of brushless synchronous
AC motordrives”, IEEE Proc. Electr. Power Appl., vol. 141, No.6, Nov. 1994.
20. Fu, Z.X., “Pseudo constant power times speed operation in the field weakening region
of IPM synchronous machines”, Proc IEEE 38th IAS Ann. Meet., pp 373- 379, Oct.
2003.
21. Zhaohui Zeng, Zhou E., Liang D.T.W., “A new flux weakening control algorithm for
interior permanentmagnet synchronous motors”, Proc IEEE IECON 22nd. Int. Conf.,
pp. 1183 - 1186, Aug 1996.


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ Ơ TƠ ĐIỆN
1.1. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA Ô TÔ ĐIỆN (Electric Vehicle EV)
Ngày nay, thực tế phát triển của ngành công nghiệp phải đối mặt với hai sự thay
đổi chính đó là nguồn năng lượng và bảo vệ môi trường.
Khi ngành công nghiệp phát triển và nhu cầu đi lại gia tăng sẽ kéo theo hàng
loạt phương tiện giao thông vận tải cũng phát triển, khí thải từ các phương tiện giao
thơng là một trong những vấn đề làm chúng ta phải quan tâm, theo số liệu ước tính
khoảng 80% CO, 60%HC và 40% NOx trong bầu khí quyển sinh ra từ các phương
tiện giao thông. Ở nước Mỹ, lượng phát thải từ các phương tiện này gồm 18% các
hạt bay lơ lửng trong khơng khí, 28% chì, 32% nitơ oxít, và 62 % CO. Ngày nay,
lợi ích mà các phương tiện giao thông công cộng và các phương tiện cá nhân đem
lại đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các phương tiện giao thông, kéo theo vấn
đề ô nhiễm môi trường ngày càng trở lên nghiêm trọng hơn.
Chính vì vậy, các quốc gia công nghiệp đã đặt ra các điều luật về môi trường
với mức độ nghiêm ngặt hơn để buộc các nhà chế tạo phương tiện giao thông đặc
biệt là nhà sản xuất ô tô phải nghiên cứu, cải thiện sản phẩm của mình nhằm hạn
chế nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí thải.
Khi ngành kinh tế và cơng nghiệp phát triển, địi hỏi nhu cầu sử dụng năng

lượng phát triển mạnh. Từ thị trường có nhu cầu về năng lượng không đáng kể
trong những năm 1900, đến nay nguồn năng lượng điện chiếm 34% của nguồn tiêu
dùng năng lượng của nước Mỹ. Trong khi các phương tiện giao thông chỉ sử dụng
27% trong nguồn năng lượng điện được tạo ra. Than đá và khí ga tự nhiên cung cấp
tới 65% năng lượng dùng để tạo ra điện năng trên thế giới.
Ngày nay, nhu khai thác nhiên liệu sinh ra năng lượng tăng cao, trong khi
nguồn nhiên liệu này được tạo ra từ tự nhiên ngày càng trở lên ít dần, nhiên liệu hóa
thạch đã trở lên đắt và khó chiết suất hơn. Do đó, vấn đề cấp thiết đặt ra là tìm
nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang sử dụng trong các
phương tiện giao thông. Các xu hướng nghiên cứu và phát triển ngày nay nhằm thay
thế động cơ đốt trong bằng động cơ điện cho phương tiện giao thông, để giảm tải
nhu cầu sử dụng năng lượng hóa thạch, giảm thiểu khả năng ô nhiễm môi trường và

1


độ ồn của các phương tiện giao thông. Ngành công nghiệp ơ tơ cũng khơng nằm
ngồi xu hướng phát triển này.
Tuy nhiên, mức độ giảm ô nhiễm môi trường do sử dụng năng lượng điện để
phục vụ cho hoạt động của ô tô phụ thuộc vào nguồn năng lượng để sản xuất điện
năng. Nếu sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch để sản xuất điện rồi nạp vào ắc quy
để cung cấp cho ơ tơ thì mức độ gây ơ nhiễm nói chung khơng giảm mà cịn tăng.
Ngồi ra cịn trở ngại khác là khả năng tích trữ điện năng của ắc quy có giới hạn
khiến cho quãng đường di chuyển của ô tô điện bị rút ngắn. Sự phát triển về cơng
nghệ vật liệu và hóa chất đã giúp chế tạo ra các loại pin dùng trong ô tô điện có độ
bền và thời gian sử dụng lâu đã góp phần mở rộng sự phát triển của ơ tơ điện. Ngoài
ra, phát minh về pin nhiên liệu (fuel cells) của William Grove vào năm 1940 được
ứng dụng vào EV đã đánh dấu bước phát triển mới trong việc chế tạo và sản xuất
EV.
1.2. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN (EV)

Như đã trình bày ở trên, để giải quyết vấn đề ơ nhiễm và nhiên liệu hóa thạch
ngày càng khan hiếm thì ý tưởng dùng động cơ điện để thay thế cho động cơ xăng
và động cơ diezen ngày càng trở thành hiện thực bởi một số lý do sau:
+ Động cơ điện có hiệu năng cao hơn động cơ đốt trong và có tỷ lệ cơng suất trên
trọng lượng lớn dẫn đến giảm trọng lượng xe và giảm tiêu hao nhiên liệu.
+ Mômen khởi động lớn.
+ Công nghệ vật liệu mới ngày càng phát triển giúp cho cải thiện pin nhiên liệu tích
trữ được điện năng lớn hơn.
+ Giảm thiểu tối đa ô nhiễm môi trường.
Động cơ dẫn động chính trong ơ tơ điện sẽ dẫn động cặp bánh xe thông qua bộ
truyền động vi sai. Khi động cơ điện quay, mô men được truyền từ hộp số qua trục
chính tới bộ truyền động vi sai để dẫn động cặp bánh xe. Mô men được chia đều
cho mỗi bánh thông qua bộ điều khiển điện tử.

2


Hình1.1.Cấu tạo chung của bộ phận chuyền động đơn giản trong ơ tơ điện
Hiện tại, chúng ta có thể chia EV thành 5 dạng như sau:
- Ơ tơ điện sử dụng pin truyền thống.
Ơ tơ điện bao gồm bộ pin điện để tích trữ năng, một động cơ điện và một bộ
điều khiển. Pin được nạp thường xuyên từ đường dẫn điện chính qua một phích cắm
và một khối nạp pin. Bộ điều khiển sẽ điều khiển thường xuyên để cấp nguồn cho
động cơ khi tốc độ ô tô thay đổi khi chuyển động về phía trước hoặc đảo chiều. Bộ
điều khiển này được biết như là bộ điều khiển hai góc phần tư (2Q), tiến hoặc lùi.
Bộ điều khiển này thường xuyên được sử dụng để hãm tái sinh vừa phục hồi năng
lượng và là một dạng phanh không ma sát tiện lợi. Khi tích hợp bộ điều khiển này
cho phép hãm tái sinh theo hướng tiến hoặc đảo chiều thì nó được biết như bộ điều
khiển bốn góc phần tư (4Q).

Hình1.2.Mơ hình nạp lại của ơ tơ điện sử dụng pin truyền thống (ắc quy)

- Ơ tơ điện hybrid (hybrid EV):
Ơ tơ hybrid là dịng xe sử dụng động cơ tổ hợp, có hai hoặc nhiều hơn hai
nguồn công suất. Hầu hết các ô tô hybrid kết hợp một động cơ đốt trong với ắc quy
3


và một động cơ điện và máy phát. Động cơ hybrid là loại động cơ kết hợp giữa
động cơ chạy bằng năng lượng thông thường với động cơ điện lấy năng lượng từ
một ắc quy đặc biệt. Nhờ vậy mà động cơ này có thể tiết kiệm được nhiên liệu khi
vận hành bằng động cơ điện đồng thời tái sinh được năng lượng điện để dùng khi
cần thiết. Do đó, dạng ô tô đang chiếm ưu thế chủ đạo hiện nay.

Hình1.3.Mơ hình ơ tơ hybrid của hãng Toyota

Ơ tơ Hybrid được chia làm các loại sau:
+ Hệ thống Hybrid nối tiếp
Ở hệ thống này các bánh xe chủ động được dẫn nhờ một mơ tơ điện, động cơ
chính của xe chỉ làm nhiệm vụ duy nhất là là làm quay máy phát điện để cấp điện
cho động cơ và nạp điện cho ăc quy chính của xe.

Hình1.4.Mơ hình hệ thống Hybrid nối tiếp

+ Hệ thống hybrid song song:

4


Hệ thống này động cơ chính làm nhiệm vụ chủ yếu là dẫn động, đồng thời

chuyền chuyển động đến máy phát để nạp điện cho ăc quy. Mô tơ điện sẽ hỗ trợ
trong trường hợp xe cần tăng tốc, nhờ vậy mà có thể tiết kiệm được nhiên liệu.

Hình1.5.Mơ hình hệ thống Hybrid song song

+ Hệ thống hybrid hỗn hợp
Trong hệ thống này, bộ chia công suất đảm nhiệm việc phân phối cơng suất từ động
cơ chính và mơ tơ điện theo các tỷ lệ khác nhau đến bánh xe chủ động.

Hình1.6.Mơ hình hệ thống hybrid hỗn hợp

5


- EV sử dụng nhiên liệu có thể thay thế như nguồn năng lượng sử dụng fuel
cells hoặc metal air batteries.
Nguyên lý cơ bản của ô tô điện này là sử dụng nhiên liệu khá giống với ắc quy
trong ô tơ điện, nhưng các ơ nhiên liệu hoặc pin khí thủy tinh hóa lỏng thay thế có
thể nạp lại ắc quy.
- EV được cấp bởi đường dây điện (power lines)
Xe bus điện và xe điện đã được biết đến, và trong một thời gian nó được sử
dụng rộng rãi như một phương tiện chính trong thành phố. Hiệu quả mà nó đem lại
là là dạng phương tiện vận chuyển trong thành phố khơng phát thải, phương tiện
này vẫn cịn đang sử dụng ở một vài thành phố. Thông thường nguồn điện cung cấp
bởi một đường dây ở phía trên và một ắc quy nhỏ được sử dụng trên xe bus điện để
cho phép nó một phạm vi giới hạn mà không sử dụng đến đường cấp điện.
- EV sử dụng năng lượng mặt trời (solar energy)
Các ô tô điện sử dụng năng lượng mặt trời như Honda Dream, ô tô đã chiến
thắng trong cuộc thi ô tô năng lượng mặt trời năm 1996, giá thành của nó rất đắt và
chỉ làm việc có hiệu quả ở những vùng có ánh sáng mặt trời cao. Mặc dù nó khơng

thể giống ơ tơ tự nhiên có thể chạy tương ứng vào mọi lúc trong ngày mà hiệu quả
sẽ giảm về ban đêm khi tế bào photon ánh sáng giảm. Mơ hình được sử dụng là ô tô
được dán các tế bào cảm nhận năng lượng trên vỏ phía trên ơ tơ.
1.3. ĐỘNG CƠ TRONG Ơ TƠ ĐIỆN
1.3.1. Đặc tính hoạt động của động cơ trong ô tô điện
Hoạt động của ô tô điện cũng tương tự như hoạt động của ô tô sử dụng động cơ
đốt trong. Một bộ phận đánh lửa hoặc khối phím số được sử dụng để bật bảng đo
lường và các module điện tử của xe. Sự sang số diễn ra ở bộ truyền động hoặc bộ ly
hợp của xe. Khi tác động vào chân phanh, xe có thể đi từ từ giống như xe dùng
động cơ đốt trong. Khi ngưới lái tác động vào chân ga, một tín hiệu được truyền đến
module điều khiển điện tử, nó sẽ tác động một dòng điện và điện áp từ hệ thống ắc
quy tới động cơ điện, tương ứng với góc chân phanh. Động cơ truyền Momen tới
các bánh của ô tô điện. Bởi vì đường cong công suất / mômen cho động cơ điện là
rộng hơn so với động cơ đốt trong, tăng tốc của xe điện có thể rất nhanh.
Ơ tơ điện ngày nay khơng sử dụng động cơ một chiều thông thường. Vấn đề
then chốt đưa ra ở đây là hiệu quả sử dụng năng lượng là tối đa và để cho ô tô điện
chạy được khoảng cách xa hơn sau khi nạp điện. Công nghệ tái sinh năng lượng là
một biện pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Hầu hết động cơ điện sử dụng
6


trong ơ tơ điện có một đặc tính có sẵn được gọi là hãm tái sinh, q trình đó diễn ra
khi giảm gas trong oto điện. Theo như kết quả nghiên cứu ô tô điện ở Bắc Mỹ, năng
lượng tái sinh được lưu trữ trong ắc quy sẽ làm cho ô tô điện chạy thêm được 10% 20% đoạn đường.
Năng lượng tái sinh được cho là loại hãm tái sinh khi phanh và hãm tái sinh khi
xuống dốc. Khi một phương tiện ứng dụng quá trình hãm tái sinh, động cơ truyền
động chạy như máy phát và chuyển đổi năng lượng động lực học của xe thành năng
lượng điện, năng lượng này có thể được phân phối theo ba cách:
+ Nạp năng lượng cho ắc quy và kéo dài đoạn đường chạy.
+ Trợ giúp phanh

+ Cung cấp năng lượng điện cho hệ thống nhiệt khi có một yêu cầu nhiệt độ của
người dùng.
So sánh với các loại phanh điện khác, như là phanh tiêu tán năng lượng và kiểu
phanh meeting-counter, hãm tái sinh không cần phải thay đổi kết cấu khung phần
cứng nhiều, và có thể điều khiển dịng tái sinh một các linh hoạt để tạo cảm giác
phanh tốt và hiệu quả tái sinh năng lượng mong muốn. Dĩ nhiên nó là một loại
phanh điện tốt cho tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, hệ thống nguồn điện của ô tơ
điện là một hệ thống điện rất phức tạp: nó không đơn giản để điều khiển hãm tái
sinh tốt và an tồn. Điều khiển hãm tái sinh cần có sự tương tác giữa điều khiển xe
và điều khiển động cơ truyền động.
1.3.2. Các loại động cơ dùng trong ô tô điện
Từ các loại ơ tơ điện đã phân tích ở trên ta thấy rằng xu thế phát triển ô tô điện
đều xoay quanh việc nghiên cứu để tìm ra các loại nhiên liệu thay thế nhiên liệu
truyền thống (nhiên liệu hóa thạch). Phần lớn các cơng trình nghiên cứu trong
những năm 1900 đều tập trung vào chế tạo xe chạy bằng pin acquy, đáng chú ý nhất
là General Motors với kiểu xe EV1. Nhưng giá thành, tốc độ, và tầm lái khơng đủ
xa do đó cũng khơng có hiệu quả kinh tế. Các loại xe chạy bằng pin acquy chủ yếu
sử dụng pin chì acid và pin NiMH. Khả năng nạp lại của các laoị pin chì acid giảm
đáng kể nếu chúng bị sử dụng hết trên 75% thường xuyên, dãn đến chúng không
phải là một giải pháp lý tưởng. Các pin NiMH là lựa chon tốt hơn, nhung giá thành
đắt hơn đáng kể so với chì – acid. Ngày nay các nghiên cứu và phát triển đều hướng
vào xe ô tô điện hybrid sử dụng cả năng lượng điện và động cơ đốt trong. Loại xe
Hybrid đầu tiên bán tại Mỹ là loại Honda Insight. Cho đến 2005, loại xe này vẫn
được sản xuất và đạt được khoảng 25.5 kilomet/lít.
7


Vấn đề quan trọng nhất trong ô tô điện là nguồn năng lượng và bộ phận truyền
động. Trong bộ phận truyền động của ơ tơ là động cơ điện. Có hai loại hệ thống
truyền động điện chính: xoay chiều (AC) và một chiều (DC). Trước đây, động cơ 1

chiều đã được sử dụng trong các ứng dụng để thay đổi tốc độ. Thời gian gần đây do
nhưng cải tiến về điện tử công suất, dẫn đến động cơ xoay chiều giờ đây đã được sử
dụng rộng rãi trong các ứng dụng. Động cơ một chiều điều khiển đơn giản hơn và
khơng đắt hơn, nhưng kích thước và khối lượng lớn hơn so với động cơ xoay chiều,
cũng như động cơ xoay chiều và các bộ điều khiển có hiệu suất cao và có dải điều
chỉnh rộng. Cùng với sự hạn chế về mặt công nghệ chế tạo và phương pháp điều
khiển nên trong các loại ô tô điện trước đây thường sử dụng động cơ một chiều (DC
motor). Động cơ DC tuy điều khiển và chế tạo đơn giản nhưng kích thước và khối
lượng lớn sẽ làm tăng nhiên liệu sử dụng khi ô tô chuyển động và hiệu suất và chất
lượng hoạt động của động cơ không cao. Hơn nữa do đặc tính của động cơ một
chiều có chổi than - cổ góp nên chất lượng điện áp khơng cao. Khi động cơ chạy ở
tốc độ cao ma sát chổi than tăng, do đó momen hữu ích giảm. Hồ quang ở chổi than
khi chuyển mạch sinh ra nhiễu điện ảnh hưởng tới các thiết bị xung quanh. Sau đó,
để thay thế nhược điểm cơ bản của động cơ một chiều thơng thường là chổi than, nó
được thay thế bằng động cơ một chiều không chổi than (BLDC). Động cơ một chiều
thơng thường: thay vì dùng bộ chuyển mạch cơ khí bằng chổi than-vành góp thì
động cơ BLDC dùng bộ chuyển mạch điện tử. Về cấu trúc, động cơ BLDC bao gồm
các bộ phận: Stator, Rotor, cảm biến vị trí và bộ chuyển mạch điện tử. Trong đó,
Stator và Rotor nằm trong động cơ, bộ cảm biến vị trí thường được gắn đồng trục
bên trong vỏ động cơ còn bộ chuyển mạch điện tử có thể được đặt bên ngồi nhưng
vì hoạt động của động cơ BLDC gắn liền với bộ này nên ta có thể coi nó như một
phần của động cơ. Động cơ một chiều không chổi than so với động cơ một chiều
thơng thường có những ưu điểm sau:
+ Thời gian làm việc dài hơn
+ Đặc tính cơ êm cho phép hoạt động ở tất cả các tốc độ với tải xác định
+ Hiệu suất cao, không có điện áp rơi qua chổi than
+ Cơng suất ra/kích thước cơ cấu cao, giảm được kích thước vì các đặc tính nhiệt
cao. Động cơ BLDC có các cuộn dây trên Stator, nó được nối với vỏ, nhiệt được
tiêu tán tốt hơn.
+ Qn tính Rotor thấp do có cac nam châm vĩnh cửu trên roto. Điều này làm tăng

sự linh hoạt trong điều khiển động cơ.

8


+ Dải tốc độ do không bị hạn chế bởi sự chuyển mạch cơ khí như động cơ một
chiều thơng thường.
+ Sự phát sinh tiếng ồn điện thấp
Tuy nhiên giá thành chế tạo động cơ BLDC cao hơn so với động cơ một chiều
thông thường.
Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ vật liệu và công nghệ chế tạo đã chế
tạo, động cơ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPM) đã dần dần thay thế động cơ 1
chiều (DC) và động cơ một chiều không chổi than (BLDC) bởi một số ưu điểm sau:
+ Động cơ IPM có sự chênh lệch khe hở khơng khí trên hai trục d và trục q, nên
điệncảm trên trục q lớn hơn điện cảm trên trục d (Ld < Lq). Đây là yếu tố làm
momen của động cơ IPM lơn hơn so với động cơ điện một chiều thông thường khi
cùng các thông số cơ bản.
+ Nam châm được gắn bên trong rotor, có các đặc điểm như: bền vững hơn, cho
phép hoạt động ở tốc độ cao.
+ Mômen điều khiển động cơ trơn.
+ Điều khiển tốc độ sâu hơn ( tốc độ điều khiển trên vùng tốc độ cơ bản do đặc
điểm của động cơ IPM).
Nhờ những đặc điểm quan trọng trên mà động cơ IPM ngày càng được ứng
dụng nhiều trong lĩnh vực ô tô điện.

9


CHƯƠNG 2
MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ IPM

2.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Các động cơ điện xoay chiều dùng rộng rãi trong công nghiệp thường là các
động cơ điện khơng đồng bộ, vì chúng có những đặc điểm như cấu tạo đơn giản,
làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ. Tuy nhiên, các động cơ điện
đồng bộ do có những ưu điểm vượt trội nên ngày càng được sử dụng rộng rãi và có
thể so sánh với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động điện.
Động cơ đồng bộ có thể chia thành 3 loại: động cơ đồng bộ dây quấn, động cơ
đồng bộ từ trở và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Ở dải cơng suất trung bình
và nhỏ, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong
các truyền động servo công suất nhỏ, máy công cụ, truyền động tay máy và robot.
Ở động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, cuôn dây stator giống như ở động cơ
đồng bộ rotor dây quấn, nhưng cuộn kích từ của rotor được thay thế bởi một nam
châm vĩnh cửu. Ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là triệt tiêu tổn
thất đồng ở rotor, nhưng lại mất đi sự linh hoạt của điều chỉnh từ thông so với động
cơ đồng bộ rotor dây quấn. Với những loại nam châm vĩnh cửu có suất năng lượng
cao (như NdFeB), kích thước của động cơ sẽ nhỏ hơn với mơmen qn tính thấp
hơn, rất thuận lợi cho nhiều ứng dụng truyền động. Giá thành đắt hơn động cơ
không đồng bộ, nhưng bù lại, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu lại có hiệu suất
cao hơn. Tuy nhiên trong nhưng năm trở lại đây, giá thành NdFeB có xu hướng
giảm, dẫn đến động cơ nam châm vĩnh cửu càng được ứng dụng rộng rãi. Dải công
suất sử dụng là trung bình và thấp và thường nhỏ hơn 100kW.
Trong phạm vi đồ luận án này, ta sẽ chỉ phân tích chi tiết về động cơ IPM
công suất nhỏ và trung bình. Tiêu chuẩn thiết kế các động cơ servo đồng bộ dùng
cho truyền động trong ô tô phải thỏa mãn các u cầu sau:
•

Mật độ từ thơng khe hở khơng khí cao

•

Tỷ số cơng suất / trọng lượng cao

•

Tỷ số mơmen / qn tính lớn (để đạt gia tốc lớn)

•

Mơmen đều (đập mạch nhỏ) ngay cả khi tốc độ thấp (để đạt độ chính
xác cao về vị trí

•

Vùng điều chỉnh tốc độ rộng

•

Có khả năng sinh mơmen lớn, đáp ứng nhanh (thời gian tăng giảm tốc
ngắn)
10


•

Hiệu suất cao và hệ số cosφ cao;

•

Cấu trúc vững chắc

Có thể thỏa mãn các yêu cầu này bằng cách sử dụng điều khiển vector các
máy điện động bộ nam châm vĩnh cửu.
2.2. CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI

2.2.1. Kết cấu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Stator của động cơ đồng bộ bao gồm lõi thép, trong có đặt dây quấn stator và
thân động cơ, nắp động cơ. Lõi thép stator được ép bằng các lá tôn silic dày 0.5mm,
hai mặt có phủ sơn cách điện. Dọc chiều dài lõi thép stator cứ cách khoảng 3 - 6 cm
lại có một rãnh thơng gió ngang trục, rộng 10mm. Thân động cơ phải được thiết kế
chế tạo sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thơng gió làm mát động cơ.
Nắp được chế tạo từ gang dục hoặc thép tấm.
Dây quấn stator của động cơ nếu như được quấn phân tán hình sin, ta có động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hình sin, cịn nếu quấn tập trung thì động cơ sẽ trở
thành động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hình thang, hay cịn gọi là động cơ một
chiều không chổi than. Ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu hình sin
Rotor của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có lõi thép được chế tạo bằng
thép đúc và được gia cơng thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ. Trên mặt hoặc
bên trong được gắn nam châm vĩnh cửu. Đây chính là đặc điểm phân loại máy điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
2.2.2. Phân loại
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có hai loại: nam châm bề mặt (cực trịn)
SPM và nam châm chìm IPM như Hình 2.1.
Ở động cơ SPM, nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt rotor, tác dụng khe
hở khơng khí lớn, đồng bộ, khiến cho động cơ có các đặc tính giống như động cơ
cực ẩn. Do đó điện cảm đồng bộ ngang trục và dọc trục nhỏ và bằng nhau Ld = Lq.
Ảnh hướng của phản ứng phần ứng cũng bị giảm do điện cảm từ hóa nhỏ. Mật độ từ
thơng khe hở được phân bố đều, do vậy độ đập mạch của mơmen nhỏ.
Cịn động cơ IPM, nam châm được gắn bên trong rotor, có các đặc điểm như:

bền vững hơn, cho phép hoạt động ở tốc độ cao; khe hở khơng khí khơng đều, ở vị
trí trục d lớn hơn trục q, khiến cho Ld < Lq; và với ảnh hưởng khe hở khơng khí nhỏ,
phản ứng phần ứng có phần vượt trội. Động cơ có đặc tính giống như động cơ cực
lồi.

11


Hiện nay, SPM được sử dụng rộng rãi hơn trong cơng nghiệp, tuy nhiên, động
cơ IPM có những ưu điểm riêng (mômen sinh ra lớn hơn, tốc độ cao hơn, điều chỉnh
từ thơng được nhiều hơn).

Hình 2.1 Hai loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
(a) nam châm bề mặt SPM (cực trịn), (b) nam châm chìm IPM
2.2.3. Vật liệu nam châm vĩnh cửu

Hình 2.2 Điểm làm việc của động cơ nam châm vĩnh cửu trên đường từ hóa
Đặc tính từ hóa của một nam châm vĩnh cửu và sự lựa chọn các loại vật liệu
riêng cho nó là rất quan trọng trong khi thiết kế một động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu (PM). Hình 2.2 cho thấy phần khử từ của đường cong từ hóa B-H khi sử
dụng nam châm vĩnh cửu. Mật độ từ thông cực đại Br ứng với điểm A’ là điểm bắt
đầu nếu như nam châm được ngắn mạch với các đai thép (khơng có khe hở khơng
khí). Khi nam châm được lắp đặt trong động cơ, khe hở khơng khí sẽ có hiệu ứng
khử từ và hoạt động tại điểm B’ ứng với đường khơng tải như ở trên hình vẽ. Độ
dốc của đường đặc tính khơng tải (ứng với trục H) sẽ ít hơn với khe hở khơng khí
12


lớn hơn. Khi có dịng điện chạy trong dây quấn stato, hiệu ứng tương tác phần ứng
trên trục từ (d) có thể gây ra hiệu ứng khử từ và làm giảm mật độ từ thơng trong khe

hở khơng khí. Đường đặc tính tải ứng với trường hợp khử từ lớn nhất, xảy ra khi
khởi động, quá độ, hoặc khi động cơ hỏng hóc, cũng được chỉ ra trên hình vẽ. Tại
điểm hoạt động D nếu sự khử từ được loại bỏ, nam châm sẽ phục hồi dọc theo
đường phục hồi (nét đứt), có độ dốc xấp xỉ đường khử từ (đậm) ở gần điểm H = 0.
Trong những lần hoạt động sau, điểm làm việc ổn định là giao điểm của đường tải
và đường hồi phục. Do đó, nam châm bị khử từ vĩnh viễn tại chế độ làm việc không
tải tương ứng với khoảng cách giữa A’ và A. Do đó, điểm khử từ lớn nhất có ý
nghĩa vơ cùng quan trọng đối với sự hoạt động của động cơ và cần được điều chỉnh
thật chính xác. Tuy nhiên, nếu như vật liệu nam châm vĩnh cửu được lựa chọn để có
được đặc tính từ hóa thẳng, thì đường hồi phục đồng nhất với đường khử từ bất
chấp điểm khử từ lớn nhất (tức là sự khử từ vĩnh viễn sẽ được bỏ qua).

Hình 2.3 Đặc tính của một vài loại vật liệu nam châm vĩnh cửu
Hình 2.3 chỉ ra các đặc tính của một vài vật liệu nam châm vĩnh cửu. Alnico
có nhiệt độ làm việc cao, sự ổn định nhiệt tốt và mật độ từ thông lớn nhưng có
nhược điểm là từ kháng thấp, được ghép với đặc tính B-H có dạng gần vng, sẽ
gây ra sự khử từ vĩnh cửu cao đến mức mà thực tế không thể áp dụng được cho các
động cơ nam châm vĩnh cửu. Các loại vật liệu Barium và Ferrit strontium được sử
dụng rộng rãi cho nam châm vĩnh cửu. Dùng Ferrite có lợi là giá thành thấp và
nguồn nguyên liệu nguyên chất là dồi dào. Chúng cũng dễ dàng để sản xuất, và quá
trình này diễn ra trong khối lượng thời gian lớn đủ để làm chậm sự tăng nhiệt độ
làm việc (400oC). Loại nam châm này có đường cong khử từ tuyến tính nhưng độ từ
dư (Br) lại thấp. Do đó, kích cỡ và khối lượng của máy điện trở nên lớn hơn. Nam
13


châm Cobalt – Samarium được sản xuất từ sắt, nikel, cobalt, và Samarium. Nó có
ưu điểm là từ dư cao, mật độ năng lượng cao (BHm), và các đặc tính khử từ tuyến
tính. Nhiệt độ làm việc có thể đạt đến 300oC và nhiệt độ ổn định (% sự thay đổi của
B mỗi oC) là rất tốt (-0.03%). Nhưng, vật liệu này giá thành rất đắt bởi vì Samarium

rất hiếm. Nam châm Neodium-sắt-boro (Nd-Fe-B) có mật độ năng lượng cao nhất,
từ dư lớn nhất, và độ kháng từ (Hc) rất tốt. Nhược điểm của chúng là nhiệt độ làm
việc thấp (150oC) và dễ bị oxi hóa lớp bảo vệ bề mặt. Ngoài ra, nhiệt độ ổn định (0.13%) kém hơn so với nam châm CoSm. Vật liệu này là đắt hơn so với ferrite,
nhưng bởi vì mật độ năng lượng cao hơn nên khối lượng máy điện là giảm đi. Ứng
dụng của các nam châm Nd-Fe-B vẫn tiếp tục được phát triển cho các máy điện
nam châm vĩnh cửu.
2.3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC
2.3.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ
Ta có phương trình điện áp ba pha cuộn dây stator khi bỏ qua tổn thất lõi thép
rotor (trên thực tế, tổn thất lõi thép rotor của động cơ không đáng kể):
dψ a (t)
⎧
⎪u a (t) = Ria + dt
⎪
dψ b (t)
⎪
⎨u b (t) = Ri b +
dt
⎪
dψ c (t)
⎪
⎪u c (t) = Ric + dt
⎩

(2.1)

với R là điện trở cuộn dây pha stator; ψa, ψb, ψc là từ thông stator cuộn dây pha a, b,
c. Áp dụng cơng thức (2.3) cho điện áp ta có vector điện áp stator quan sát trên hệ
α-β:
j

j
2⎡
⎢ u a (t) + u b (t)e 3 + u c (t)e 3
3 ⎢⎣
2π

u ss (t) =

4π

⎤
⎥
⎥⎦

(2.2)

Thay các điện áp pha trong (2.1) vào (2.2) ta có phương trình điện áp dưới dạng
vector như sau:

u ss = Riss +

dψss
dt

(2.3)

Áp dụng công thức chuyển hệ tọa độ sang d-q ta có:
u ss = u sf e jθe ;iss = isf e jθe ; ψss = ψsf e jθe

Đạo hàm (2.4c) ta được

14

(2.4 a,b,c)


dψss dψsf jθe
=
e + jωeψsf e jθe
dt
dt

(2.5)

Từ (2.3), (2.4 a,b,c), (2.5) ta được phương trình điện áp stator quan sát trên hệ tọa
độ d-q:

u sf = Risf +

dψsf
+ jωeψsf
dt

(2.6)

Vector từ thơng rotor ψff chỉ có thành phần thực ψf do trục thực d đi qua trục
chính vector ψff.

ψff = ψf

( 2.7)

Vector từ thông stator ψsf gồm hai thành phần, một do dòng stator tự cảm trong các
cuộn dây, và một là chính ψpf cảm ứng sang.
ψsf = Lsisf + ψff

( 2.8)

Ngồi ra, để mơ tả động cơ đồng bộ đầy đủ, cần thêm hai phương trình
mơmen và phương trình động học:
3 P
Te = ( )(ψs × is )
2 2
Te − TL =

2 dωe
J
P dt

(2.9)
(2.10)

Nhận xét:
- Do luôn luôn tồn tại một hướng xác định của từ thông rotor nên đối với
động cơ đồng bộ ta chỉ dùng phương thức mô tả toán học thu được trên cơ sở quan
sát từ hệ tọa độ d-q.
- Quan sát động cơ đồng bộ nam châm trong ta thấy khoảng cách từ khe hở
không khí tới nam châm bên trong rotor ở mỗi vị trí khác nhau là khác nhau. Điều
đó dẫn đến các trị số điện cảm stator khác nhau khi đo với các vị trí khác nhau của
rotor.

2.3.2. Mơ tả tốn học của động cơ trên hệ tọa độ d-q
2.3.2.1. Mô tả toán học
Với động cơ nam châm vĩnh cửu cực lồi (nam châm ẩn), như đã trình bày ở
chương trước, Ld < Lq, trong đó sự chênh lệch định lượng cụ thể là tùy thuộc vào
từng loại động cơ. Phương trình (2.8) có thể được viết như sau:
⎧⎪ψ sd = i d L d + ψ f
⎨
⎪⎩ψ sq = i q L q

15

(2.11a,b)


Với Ld, Lq là điện cảm stator trục d và q được tính bằng Ld = Lls + Lmd; Lq = Lls
+ Lmq với Lls, Lmd, Lmq theo thứ tự là các thành phần điện cảm rò stator, điện cảm từ
hóa trục d, q. Viết lại (2.6) dưới dạng phương trình của các phần tử vector và thay
(2.10a,b) vào ta được:
⎧
⎪⎪u d = Ri d + Ld
⎨
⎪u = Ri + L
q
q
⎪⎩ q

di d
− ωe Lq i q
dt
di q

+ ωe Ld i d + ωe ψ f
dt

(2.12a,b)

Hệ phương trình (2.12) có thể được viết lại dưới dạng hệ phương trình trạng thái:
Lq 1
⎧ di d
1
= − i d + ωe
+
ud
⎪
Td
Ld Ld
⎪ dt
⎨
⎪ di q = −ω Ld − 1 i + 1 u − ω ψ f
e
q
q
e
⎪ dt
Lq Tq
Lq
Lq
⎩

Trong đó

(2.13a,b)

Td = Ld/Rs là hằng số thời gian trục d của mạch stator
Tq = Lq/Rs là hằng số thời gian trục q của mạch stator

So sánh với động cơ không đồng bộ, ta thấy được ưu thế của động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu: do đặc điểm kích thích vĩnh cửu, hệ phương trình mơ tả động
cơ đã bớt đi được hai phương trình từ thơng rotor và do đó vector trạng thái đơn
giản đi hai chiều so với động cơ không đồng bộ.
Thay thế các phần tử của vector is và ψs vào phương trình (2.9) ta có phương
trình mơmen điện từ của động cơ:
3⎛P⎞
Te = ⎜ ⎟ (ψ d i q − ψ q i d )
2⎝ 2⎠

(2.14)

Thay (2.11) vào (2.13), ta được:
Te =

3⎛P⎞
⎜ ⎟ ⎡ ψ f i q + i d i q (L d − L q ) ⎤⎦
2⎝ 2 ⎠⎣

(2.15)

Nhận xét:
- Chú ý rằng những phương trình trên đúng cho cả động cơ cực ẩn (SPM) khi
ta cho các giá trị Ld = Lq. Chúng sẽ được dùng cho việc xây dựng mơ hình động cơ,
mơ phỏng trên Matlab/Simulink.

- Phương trình (2.15) chỉ ra rõ ràng rằng mômen quay của động cơ đồng bộ
gồm hai thành phần: thành phần chính với tích ψpiq và thành phần phản kháng
do sự chênh lệch điện cảm stator (Ld - Lq ≠ 0) gây ra. Trong mọi chế độ vận hành,
động cơ đồng bộ phải sản sinh một thành phần mômen phụ để bù lại thành phần
16


phản kháng. Thành phần phản kháng tồn tại một cách rõ ràng và không bỏ qua được
với động cơ cực chìm. Đối với loại cực ẩn, thành phần đó khơng được tính đến
trong các phương án điều khiển, điều chỉnh kinh điển. Việc bỏ qua đó giúp làm đơn
giản hóa hệ thống điều chỉnh và trên thực tế có thể chấp nhận được trong dải tốc độ
quay cơ sở (là dải tốc độ dưới tốc độ quay cơ bản) bởi dải đó ln có id = 0. Ngược
lại, ở dải tốc độ trên tốc độ cơ bản, để thêm được điện áp điều chỉnh, ta phải giảm
biên độ từ thông rotor bằng cách bơm vào trục d một thành phần dòng id < 0, động
cơ đồng bộ lúc này vận hành ở chế độ giảm từ thơng và dịng id sẽ có biên độ lớn
tăng tỷ lệ thuận với tốc độ quay rotor. Điều đó dẫn đến thành phần mơmen phản
kháng có khả năng đạt được biên độ đáng kể khơng thể bỏ qua được.

Hình 2.4 Sơ đồ mạch thay thế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm
trong hệ trục tọa độ quay đồng bộ (d-q)
Hình 2.5 đưa ra sơ đồ mạch thay thế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực
chìm trong hệ trục tọa độ quay đồng bộ (d-q). Dòng điện If’ là dòng điện thay thế
tương đương gây ra từ trường của nam châm vĩnh cửu ψf = LdmIf’.
2.3.2.2. Đồ thị vector
Ở chế độ xác lập của động cơ, các thành phần vi phân thời gian của phương
trình (2.12a,b) bằng 0. Chúng có thể được viết lại dưới dạng:
⎧⎪ U sd = R s Isd − Xsq Isq
⎨
⎪⎩ U sq = R s Isq + E f + Xsd Isd

17

(2.16)


với Ef là sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator do từ trường của nam châm
vĩnh cửu gây ra, được tính theo Ef = ωeψf.
Nếu bỏ qua điện trở pha stator của động cơ, ta có thể vẽ được đồ thị vector
của động cơ như Hình 2.6. Hình vẽ biểu diễn các đồ thị vector của động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu cực chìm, bao gồm cả các vector từ thông. Sức điện động cảm
ứng Ef trùng với trục q, và ψf trùng với trục d. Điện áp pha Us và dòng điện pha Is
xác định thành phần tương ứng theo các trục d và q và các vector điện áp được vẽ
tương ứng với các tổn thất phản kháng. Trong đồ thị vector này, từ thông phản ứng
phần ứng ψa cùng với từ thông nam châm vĩnh cửu của stato sinh ra từ thông stato
ψs như hình vẽ. Đồ thị vector trên hệ trục d-q cũng có thể biểu diễn cho máy điện
cực trịn (SPM) khi Xd = Xq.
q
Ef
-XqIq
Uq

Us
δ
Is

ψs

Iq

Φ

Ud

δ

ψa
Ψf

θe

Id
XdId

d
α

Hình 2.5 Đồ thị vector của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm
trên hệ tọa độ d-q

18


CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IPM
Cấu trúc cơ bản và đặc điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu IPM đã được
phân tích ở chương 2. Có thể tóm tắt như sau, do ảnh hưởng khe hở khơng khí nhỏ
và khơng đều đối với các trục d và q, nên động cơ có Ld < Lq và phản ứng phần ứng
đáng kể.
Như đã nói ở những phần trước, mômen của động cơ đồng bộ cực ẩn có 2
thành phần: (1) thành phần gây bởi từ thơng nam châm vĩnh cửu, và (2) thành phần

mômen từ trở. Mơmen tổng của động cơ cực lồi được tính theo công thức:
⎤
Ld − Lq
⎛ P ⎞ ⎡ψ ψ
Te = 3 ⎜ ⎟ ⎢ s f sin δ + ψ s2
sin 2δ ⎥
2Ld Lq
⎝ 2 ⎠ ⎢⎣ Ld
⎥⎦

(3.1)

3⎛P⎞
Te = ⎜ ⎟ (ψ d i q − ψ q i d )
2⎝ 2⎠

( 3.2)

3⎛P⎞
Te = ⎜ ⎟ ⎡⎣ψ f iq + id iq (Ld − Lq ) ⎤⎦
2⎝ 2⎠

(3.3)

hoặc cơng thức:

Phương trình này xác định bởi 2 thành phần. Ở động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu cực ẩn hình sin, do Ld = Lq nên mômen từ trở bằng 0, và do đó chỉ có
thành phần đầu tiên; trong khi đó với động cơ từ trở, ψf = 0, chỉ có thành phần
mômen từ trở. Chú ý rằng với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm, Lq >

Ld, phương trình mơmen tồn tại cả hai thành phần, khơng như các động cơ động bộ
dây quấn; cực ẩn hay động cơ đồng bộ từ trở.
Giống như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn, động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu cực chìm có thể hoạt động bằng cách trực tiếp đấu với nguồn
hoặc điều chỉnh mạch hở U/f, và khi đó rất cần cuộn dập để giảm dao động. Tuy
nhiên, ở chế độ tự điều chỉnh, động cơ không cần cuộn dập.
Phương pháp điều khiển động cơ IPM được xây dựng trên cơ sở sử dụng
phương pháp điều khiển véc tơ tựa từ thông để điều khiển động cơ đồng bộ như
điều khiển động cơ môt chiều. Thay vì điều khiển tần số độc lập của bộ biến đổi, tần
số và pha của sóng phía đầu ra được điều khiển bởi bộ PWM như hình sau:

19


Hình 3.1. Sơ đồ hệ truyền động
Phương pháp điều khiển tựa từ thơng được tìm ra và được áp dụng vào năm
1970 và đã cho thấy rằng, với động cơ từ trở hay động cơ đồng bộ có thể điều khiển
như động cơ một chiều kích từ độc lập bằng điều khiển sức điện động có hướng của
stato (mmf) hoặc véc tơ dịng điện có mối quan hệ với từ thông roto tác động tới đối
tượng điều khiển. Để động cơ có thuộc tính như động cơ một chiều, khi điều khiển
phải biết được vị trí tức thời của từ thơng roto hay vị trí roto của nam châm vĩnh
cửu tức là cần phải có một máy phân tích hoặc cảm biến vị trí quang học. Khi biết
được vị trí, dịng điện của 3 pha có thể tính tốn được. Việc tính tốn sử dụng ma
trận dịng điện phụ thuộc vào mong muốn điều khiển.
Phương pháp điều khiển vector là đưa các đại lượng của động cơ như dòng
điện, điện áp, từ thơng về dạng vector, sau đó quan sát các vector đó trên một hệ tọa
độ nào đó, tĩnh hoặc động. Mục đích chính là phân ly dịng điện thành hai thành
phần chính: một thành phần sinh từ thơng, một thành phần sinh mômen quay và
điều khiển riêng biệt hai thành phần này giống như động cơ một chiều. Trong phần
này, chúng ta sẽ phân tích 2 phương pháp điều khiển vector cho hệ truyền động

động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi: tựa từ thông rotor và tựa từ thơng
stator. Mỗi phương pháp đều có 3 chế độ: chế độ mômen không đổi, chế độ công
suất khơng đổi và tích momen với tốc độ là khơng đổi. Các cách lựa chọn này dựa
trên giới hạn vật lý của động cơ và bộ biến đổi. Động cơ sẽ làm việc ở chế độ
mômen không đổi khi tốc độ động cơ nhỏ hơn tốc độ cơ bản, khi đó bộ nghịch lưu
cấp nguồn cho động cơ cịn có thể điều chỉnh bằng PWM. Khi tốc độ động cơ vượt

20