THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN FOC CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU SỬ DỤNG INCREMENT ENCODER Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (12)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN FOC CHO
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU
SỬ DỤNG INCREMENT ENCODER

Trưởng bộ môn

: PGS.TS. Trần Trọng Minh

Giảng viên hướng dẫn : TS. Vũ Hoàng Phương
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Như Hiển

Lớp

: ĐK-TĐH 03

MSSV

: 20131456

Giảng viên duyệt

:

Hà nội, 6-2018


LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Thiết kế cấu trúc điều khiển FOC cho
động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu sử dụng increment encoder do em tự thiết kế
dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Vũ Hoàng Phương. Các số liệu và kết quả là hoàn
toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép em xin chịu hồn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Như Hiển


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. i

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU .................................................................................. v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................... vi
LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................... vii
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO VÀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG
BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU................................................................................. 1
1.1 Tổng quan về hệ truyền động Servo ................................................................... 1
1.2 Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu ................................................................ 2
1.2.1 Cấu tạo động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu .............................................. 2
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ĐCĐB-KTVC ..................................................... 5
Chương 2 THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN FOC CHO ĐCĐB-KTVC VÀ
MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG BẰNG MATLAB/SIMULINK ................................ 7
2.1 Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor FOC................................................ 7
2.1.1 Biểu diễn các đại lượng xoay chiều 3 pha dưới dạng các vector .................. 7
2.1.2 Chọn hệ tọa độ dq có trục thực d trùng với trục của vector từ thông rotor. 8
2.1.3 Các phép chuyển hệ tọa độ.......................................................................... 9
2.1.4 Ưu thế của hệ tọa độ dq ........................................................................... 10
2.2 Cấu trúc điều khiển FOC cho ĐCĐB-KTVC ................................................... 11
2.2.1 Khâu điều chế vector điện áp .................................................................... 12
2.2.2 Mơ hình hóa cấu trúc vật lý ĐCĐB-KTVC ............................................... 17
2.2.3 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện .............................................................. 19
2.2.4 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ .................................................................... 21
2.2.5 Thiết kế bộ điều khiển vị trí ...................................................................... 24
2.3 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng ................................................................................. 25
2.3.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ điều khiển tốc độ ........................................... 26
2.3.2 Kết quả mô phỏng ở chế độ điều khiển vị trí ............................................. 28
2.3.3 Kết luận .................................................................................................... 31
Chương 3 XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ CHẠY
THỰC NGHIỆM ..................................................................................................... 32
3.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm ...................................................................... 32
3.1.1 Thiết kế mạch lực ..................................................................................... 33

3.1.2 Mạch điều khiển ....................................................................................... 37
3.1.3 Mạch đo dòng điện ................................................................................... 41
3.1.4 Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu thử nghiệm ..................................... 43
3.1.5 Bộ đo vị trí và tốc độ Increment Encoder .................................................. 45
3.2 Chuẩn hóa dữ liệu............................................................................................ 46
3.2.1 Chuẩn hóa mạch vịng điều chỉnh dịng điện ............................................. 46
3.2.2 Chuẩn hóa mạch vịng điều chỉnh tốc độ ................................................... 47
3.2.3 Chuẩn hóa mạch vịng điều chỉnh vị trí ..................................................... 48
3.2.4 Chuẩn hóa thuật tốn tính tốc độ ............................................................... 49
3.2.5 Chuẩn hóa tht tốn SVM ....................................................................... 50
3.3 Trình tự khởi động........................................................................................... 50
3.3.1 Vì sao phải xác định vị trí ban đầu của từ thông rotor ............................... 51
3.3.2 Phương pháp cấp điện áp đặc biệt ............................................................. 51
3.3.3 Phương pháp đưa rotor về vị trí đỉnh cực bằng bộ điều khiển dịng. .......... 54
3.3.4 Nhận xét ................................................................................................... 55
3.4 Đo dòng điện stator ......................................................................................... 55
3.5 Xây dựng chương trình trên vi điều khiển ........................................................ 57
3.6 Kết quả chạy thực nghiệm ............................................................................... 61
3.6.1 Chế độ điều khiển tốc độ ........................................................................... 61
3.6.2 Chế độ điều khiển vị trí ............................................................................. 62
3.6.3 Kết luận .................................................................................................... 64
3.7 Kết luận ........................................................................................................... 65
3.7.1 Các kết quả đã đạt được ............................................................................ 65
3.7.2 Hạn chế của hệ thống ................................................................................ 65
3.7.3 Phương hướng phát triển ........................................................................... 65
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 67
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 68

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc đầy đủ của hệ thống truyền động Servo sử dụng ĐCXCBP ............ 1
Hình 1.2. Cấu tạo động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu ............................................... 3
Hình 1.3. Mặt cắt ngang của stator động cơ ................................................................. 4
Hình 1.4. Rotor và stator ĐCĐB-KTVC ...................................................................... 4
Hình 1.5. Động cơ đồng bộ nam châm bề mặt ............................................................. 5
Hình 1.6. Động cơ đồng bộ nam châm chìm ................................................................ 5
Hình 1.7. Khác với SPMSM, IPMSM có điện cảm dọc trục và ngang trục khác nhau .. 5
Hình 2.1. Biểu diễn các đại lượng xoay chiều 3 pha dưới dạng vector ......................... 8
Hình 2.2. Khối chuyển hệ tọa độ uvw   ................................................................ 9
Hình 2.3. Khối chuyển hệ tọa độ   dq .................................................................. 9
Hình 2.4. Khối chuyển hệ tọa độ ............................................................................... 10
Hình 2.5. Cấu trúc điều khiển FOC cho ĐCĐB-KTVC sử dụng DSP ........................ 11
Hình 2.6. Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha............................. 12
Hình 2.7. Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh ........................................................ 12
Hình 2.8. Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời ......................................... 14
Hình 2.9. Thuật toán xác định vector điện áp trong mỗi sector .................................. 14
Hình 2.10. Nguyên tắc điều chế vector điện áp .......................................................... 15
Hình 2.11. Mẫu xung chuẩn trong Sector 1 ................................................................ 16
Hình 2.12. Cấu trúc đan kênh của bộ điều khiển dịng điện ........................................ 19
Hình 2.13. Cấu trúc bộ điều khiển dịng stato isd ........................................................ 20
Hình 2.14. Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ ................................................................... 22
Hình 2.15. Mạch vịng tốc độ xét tới ảnh hưởng của moment tải ............................... 23

i

Danh mục hình vẽ

Hình 2.16. Cấu trúc bộ điều khiển vị trí ..................................................................... 24
Hình 2.17. Sơ đồ mơ phỏng cấu trúc điều khiển FOC cho ĐCĐB-KTVC .................. 26
Hình 2.18. Đáp ứng tốc độ và lượng đặt .................................................................... 26
Hình 2.19. Kết quả phóng to sai lệch tốc độ ở chế độ xác lập .................................... 27
Hình 2.20. Đáp ứng thành phần dịng isq và lượng đặt isq* ........................................... 27
Hình 2.21. Đáp ứng thành phần dịng isd và lượng đặt isd* ........................................... 27
Hình 2.22. Moment động cơ ...................................................................................... 28
Hình 2.23. Đáp ứng vị trí và tốc độ ............................................................................ 28
Hình 2.24. Kết quả phóng to sai lệch vị trí xác lập ..................................................... 29
Hình 2.25. Đáp ứng thành phần dòng isq và lượng đặt isq* ........................................... 29
Hình 2.26. Đáp ứng thành phần dịng isd và lượng đặt isd* ........................................... 29
Hình 2.27. Hệ số điều chế.......................................................................................... 30
Hình 2.28. Moment của động cơ ................................................................................ 30
Hình 2.29. Dịng điện pha U của động cơ .................................................................. 30
Hình 3.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống thực nghiệm ...................................................... 32
Hình 3.2. Mạch phần cứng của hệ thống thực nghiệm ............................................... 32
Hình 3.3. Sơ đồ tổng quan mạch lực .......................................................................... 34
Hình 3.4. Sơ đồ khối và các chân của IPM 7MBP25RA120 ...................................... 35
Hình 3.5. Dạng sóng tín hiệu vào và dịng I c qua van ................................................ 35
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý 7MBP25RA120 ............................................................... 36
Hình 3.7. Mạch driver HCPL-4505 ............................................................................ 36
Hình 3.8. Mạch nguồn cấp cho Pre-driver.................................................................. 36
Hình 3.9. Tổng quan mạch điều khiển ....................................................................... 37
Hình 3.10. Ma ̣ch LaunchPad KIT TMS320F28377S ................................................. 39
ii

Danh mục hình vẽ

Hình 3.11. Kiến trúc vi điều khiển ............................................................................. 40
Hình 3.12. Sơ đồ tổng quan mạch đo dịng ................................................................ 41
Hình 3.13. Sử dụng hiệu ứng Hall đo dịng theo vịng kín .......................................... 42
Hình 3.14. Sơ đồ kết nối LEM ................................................................................... 43
Hình 3.15. Động cơ L010976-EMJ-04....................................................................... 43
Hình 3.16. Động cơ 1FK7080-2AF71-1EA0 ............................................................. 44
Hình 3.17. Increment Encoder ................................................................................... 45
Hình 3.18. Cách đọc chiều quay Encoder .................................................................. 45
Hình 3.19. Bộ điều chỉnh dịng điện........................................................................... 46
Hình 3.20. Bộ điều chỉnh tốc độ ................................................................................ 47
Hình 3.21. Bộ điều chỉnh vị trí .................................................................................. 48
Hình 3.22. Định nghĩa vị trí ban đầu của từ thơng rotor ............................................. 50
Hình 3.23. Moment trên đầu trục động cơ bị đập mạch .............................................. 51
Hình 3.24. Góc offset ................................................................................................ 52
Hình 3.25. Các vector đặc biệt ................................................................................... 52
Hình 3.26. Thuật tốn phương pháp cấp điện áp đặc biệt ........................................... 53
Hình 3.27. Trình tự khởi động ................................................................................... 54
Hình 3.28. Quá trình đưa rotor về vị trí đỉnh cực ....................................................... 55
Hình 3.29 Thời điểm trích mẫu (M) ........................................................................... 56
Hình 3.30 Trình tự điều chế theo lý thuyết................................................................. 56
Hình 3.31 Trình tự điều chế sau khi sửa..................................................................... 56
Hình 3.32. Sơ đồ tổ chức chương trình trên DSP ....................................................... 58
Hình 3.33. Lưu đồ thuật tốn hàm main ..................................................................... 59
Hình 3.34. Lưu đồ thuật tốn đọc encoder ................................................................. 59

iii

Danh mục hình vẽ

Hình 3.35. Lưu đồ thuật tốn CLA ............................................................................ 60
Hình 3.36. Hệ số điều chế.......................................................................................... 61
Hình 3.37. Đáp ứng tốc độ ......................................................................................... 61
Hình 3.38. Đáp ứng dịng điện isd .............................................................................. 62
Hình 3. 39. Đáp ứng dịng điện isq ............................................................................. 63
Hình 3.40. Đáp ứng vị trí và tốc độ ............................................................................ 63
Hình 3.41. Góc điện đã chuẩn hóa ............................................................................. 64

iv


Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 2.1 Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn.......................................................... 13
Bảng 2.2 Bảng tổng hợp ma trận trong mỗi sector ..................................................... 15
Bảng 2.3 Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1 ........................................ 16
Bảng 2.4 Hệ số điều chế cho nhóm van của mạch nghịch lưu .................................... 17
Bảng 3.1. Thông số LEM LA25-P/SP1 ...................................................................... 42
Bảng 3.2. Sơ đồ cổng kết nối cáp nguồn cho động cơ ................................................ 44

v


Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng anh

Ý nghĩa

FOC

Filed Oriented Control

Tựa từ thông roto

PMSM

Permanent Magnet

Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Synchronous Motor
PLC

Programmable logic controller

Bộ điều khiển logic khả trình

DSP

Digital Signal Processing

Bộ xử lý tín hiệu số

HMI

Human-Machine Interface

Giao diện người-máy

ĐCDB-KTVC

Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

ĐCXCBP

Động cơ xoay chiều ba pha

ĐCMC

Động cơ một chiều

ĐCKĐB

Động cơ không đồng bộ

BĐK

Bộ điều khiển

vi


Lời nói đầu

LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay trong q trình cơng nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, động cơ điện
được sử dụng nhiều và phổ biến trong các ngành công nghiệp. Trong đó động cơ điện
đồng bộ được sử dụng nhiều trong các hệ truyền động servo ứng dụng nhiều trong các
lĩnh vực điều khiển cơng nghiệp vì nó có những đặc điểm vượt trội như hiệu suất làm
việc và hệ số công suất cosφ cao, tốc độ không phụ thuộc vào tải ở chế độ xác lập. Với
sự phát triển ngày càng nhanh của khoa học công nghệ, yêu cầu về chất lượng của các
bộ điều khiển truyền động ngày càng cao. Ở đó hệ thống phải tạo ra được khả năng thay
đổi tốc độ trơn, mịn với phạm vi điều chỉnh rộng, độ chính xác của đại lượng điều chỉnh
ở chế độ tĩnh cao để tạo nên vùng làm việc với sai số nhỏ, hệ làm việc với bất cứ quá
trình quá độ nào cũng phải đạt được độ ổn định cao. Đó là bài tốn đặt ra cho bất kì kỹ
sư điều khiển tự động nào.
Trong quá trình học tập, chúng em đã được trang bị những kiến thức cơ bản về
điện tử công suất và truyền động điện…Nhờ đó chúng em nắm được một cách cơ bản
về một số giải thuật điều khiển động cơ đồng bộ như: phương pháp điều khiển điều
khiển moment trực tiếp (Direct Torque Control), điều khiển tựa từ thông rotor (Field
Oriented Control). Tuy nhiên đó mới chỉ dừng lại ở mặt lý thuyết và điều quan trọng
nhất là áp dụng chúng vào thực tiễn như thế nào. Chính vì vậy em đã được thầy TS. Vũ
Hoàng Phương giao đề tài tốt nghiệp: “THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN FOC
CHO ĐỘNG ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU SỬ DỤNG INCREMENT
ENCODER”.
Em đã hồn thành đồ án với nội dung chính của đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ đồng bộ kích thích
vĩnh cửu
Chương 2: Thiết kế cấu trúc điều khiển FOC cho ĐCĐB-KTVC và mơ
phỏng kiểm chứng bằng Matlab/Simulink.
Chương 3: Xây dựng mơ hình thực nghiệm và kết quả chạy thực nghiệm

vii

Lời nói đầu

Đồ án sẽ khơng thể hồn thành nếu thiếu đi sự hỗ trợ của những người mà em
phải gửi lời cảm ơn sâu sắc: Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy TS. Vũ Hoàng
Phương, người đã nhiệt tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án. Xin cảm ơn
bạn Trần Minh Trường và tập thể PE LAB đã đồng hành cùng em và giúp em hoàn
thành đồ án này.
Mặc dù đã thực hiện rất cẩn thận , nhưng do kiến thức của em cịn hạn chế, thời
gian làm đồ án khơng nhiều nên bản báo cáo khó tránh khỏi sai sót, kính mong các thầy
cô, cùng các bạn chỉ bảo. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô trong
viện Điện đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt các kiến thức chun mơn cho em trong
thời gian cịn ngồi trên ghế nhà trường.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày 01 tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Như Hiển

viii


Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO VÀ
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU
Nội dung này cho ta cái nhìn tổng quan về hệ truyền động servo, các ưu điểm và
ứng dụng của nó trong cơng nghiệp cũng như các lĩnh vực khác như: y tế, quân sự, sinh

hoạt…Đồng thời cung cấp các kiến thức về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, và các ưu
điểm của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu để từ đó ta đi thiết kế cấu trúc điều khiển.

1.1 Tổng quan về hệ truyền động Servo
Hệ truyền động servo là cơ cấu cho phép biến đổi điện năng thành cơ năng để tạo
chuyển động quay hoặc tịnh tiến với khả năng điều chỉnh chính xác tốc độ, vị trí và mơ
men. Chúng thường gồm một động cơ có đặc tính động học tốt và được gắn đầu cảm
biến vị trí ở một phía đầu trục và một bộ biến đổi điện tử công suất chất lượng cao được
thiết kế chuyên biệt cho động cơ này và thiết bị điều khiển với các thuật toán đảm bảo
điều khiển chính xác các tham số yêu cầu.Equation Chapter 1 Section 1

Hình 1.1. Cấu trúc đầy đủ của hệ thống truyền động Servo sử dụng ĐCXCBP

Ngoài các bộ phận nói trên, hệ truyền động servo thường có thêm các bộ phận:
 Bộ chỉnh lưu tích cực cho phép điều khiển điện áp một chiều và cho dòng
năng lượng đi theo 2 chiều.
 Truyền thơng với các Master: Máy tính hoặc HMI

1


Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Với các tính năng và ưu điểm trên , hệ truyền động servo được ứng dụng rất nhiều
trong các lĩnh vực phục vụ tự động hóa các máy móc trong cơng nghiệp và dân dụng.
Sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi của các hệ thống tự động hóa làm cho nhu
cầu đối với hệ truyền động servo không ngừng tăng lên. Một số lĩnh vực ứng dụng của
hệ truyền động servo:
 Ứng dụng cho ngành chế tạo Robot: Điều khiển chính xác các khớp để tạo
ra quỹ đạo chuyển động phù hợp với yêu cầu công nghệ

 Ứng dụng cho ngành lắp ráp và đóng gói sản phẩm: hệ truyền động servo
thường được sử dụng cho các hệ thống vận chuyển (băng tải…) có u
cầu chạy và dừng chính xác để phục vụ cho các q trình như đóng chai,
đóng bao, dán nhãn, lắp ráp sản phẩm, cân băng định lượng chính xác.
 Ứng dụng cho các cơ cấu tự hành: sử dụng trong các xe tự hành chiến đấu,
dò mìn.
 Ứng dụng trong y tế: sử dụng trong các máy X-quang, máy siêu âm…
 Ứng dụng trong lĩnh vực in ấn.
 Ứng dụng trong lĩnh vực dệt may: sử dụng trong việc điều khiển kéo sợi,
cuốn sợi, dệt.
Trong khoảng những năm 60 tới 80 của thế kỷ trước đã chứng kiến sự phát triển
của các hệ truyền động servo sử dụng động cơ điện một chiều trong các hệ truyền động
địi hỏi độ chính xác cao, tuy nhiên nhược điểm cơ bản của hệ servo một chiều là giá
thành cao và sự tồn tại của cơ cấu chổi than và cổ góp khiến cho việc vận hành phức
tạp. Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện - điện tử trong khoảng hai thập kỷ 1980
và 1990, đặc biệt là sự xuất hiện của vi xử lý (Microprocessor, viết tắt: μP) và sự phát
triển của các phương pháp điều khiển mới, các hệ truyền động servo sử dụng động cơ
điện xoay chiều ba pha với độ chính xác cao dần dần thay thế các động cơ servo sử dụng
động cơ một chiều.

1.2 Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
1.2.1 Cấu tạo động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (PMSM hay ĐCĐB-KTVC) là loại máy
điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có rotor quay đồng bộ với
tốc độ của từ trường quay. Với tốc độ rotor được tính theo cơng thức

2


Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

n

Trong đó:

60 f
Pc

(1.1)

n – tốc độ của rotor (vòng/phút)
f – tần số nguồn cấp cho động cơ (Hz)
Pc – Số đôi cực của rotor

Hình 1.2. Cấu tạo động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Theo hình 1.2, cấu tạo ĐCĐB-KTVC gồm các bộ phận: Vỏ nhơm, mặt bích và
đế, đầu cắm, vịng bi, cảm biến, vỏ bảo vệ cảm biến, phanh điện, cuộn dây stator, nam
châm vĩnh cửu gắn cố định với trục động cơ (rotor).
ĐCĐB được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp với dải công suất rộng, chiếm
tỷ lệ lớn so với các động cơ khác, nhờ các ưu điểm:
 Hiệu suất làm việc và độ chính xác cao
 Khả năng quá tải lớn (Mmax/Mb ≈ 4 ... 10)
 Khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh cũng như lặp lại liên tục
 Mật độ công suất lớn
 Phạm vi hoạt động rộng
 Khả năng phát huy mô men ở dải tốc độ thấp kể cả đứng im
 Khả năng điều chỉnh êm và chính xác vị trí

3

Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

 So với động cơ điện một chiều, kích thước nhỏ gọn, vận hành an tồn, tin cậy,
giảm chi phí vận hành, sửa chữa.
 Được khai thác hết tiềm năng nhờ sự phát triển của công nghiệp chế tạo bán dẫn
công suất và kỹ thuật điện tử.
Về cấu tạo, ĐCĐB-KTVC gồm hai thành phần chính là stator (đừng im) và rotor
(quay).
a) Cấu tạo stator
Stator của máy điện đồng bộ gồm các lá thép kỹ thuật được dập theo hình vành
khăn ghép chặt lại với nhau. Phía trong có xẻ rãnh để đặt dây quấn. Dây quấn stator
thường là dây đồng hoặc dây nhôm. Cấu tạo cơ bản của stator gồm 3 cuộn dây giống
0

nhau đặt lệch nhau 120 trong không gian. Dây quấn stator gọi là dây quấn phần ứng.

Hình 1.3. Mặt cắt ngang của stator động
cơ

Hình 1.4. Rotor và stator ĐCĐB-KTVC

b) Cấu tạo rotor
Rotor của ĐCĐB-KTVC được gắn các nam châm vĩnh cửu gọi là phần cảm.
Những phím nam châm có thể bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề mặt rotor. Các thanh nam
châm được làm bằng đất hiếm như Samariu-cobalt (SmCO5, SmCO7) hoặc Neodymiumiron-boron (NdFeB), là các nam châm có năng suất năng lượng cao và tránh được khử
từ, thường được gắn trên bề mặt hoặc bên trong lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí
cao, nhất là khi tốc độ làm việc cao thì khe hở giữa các nam châm có thể đắp bằng vật

4


Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

liệu từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao.
Dựa vào cấu tạo rotor, người ta phân ĐCĐB-KTVC ra làm 2 loại: động cơ đồng
bộ nam châm bề mặt (SPMSM) và động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM)

Hình 1.5. Động cơ đồng bộ nam châm
bề mặt

Hình 1.6. Động cơ đồng bộ nam châm
chìm

Động cơ SPMSM thơng thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor. Động
cơ IPMSM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor dẫn tới sự khác biệt giữa điện
cảm dọc trục và ngang trục, từ đó tạo khả năng sinh moment khác nhau giữa 2 loại động
cơ này.

Hình 1.7. Khác với SPMSM, IPMSM có điện cảm dọc trục và ngang trục khác nhau

Trong đồ án này, em sử dụng động cơ đồng bộ nam châm bề mặt nên mọi tính
tốn thiết kế đều tập trung vào động cơ này.
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ĐCĐB-KTVC
Nam châm vĩnh cửu được gắn cố định vào trục rotor để tạo ra từ trường hằng.
Cuộn dây stator được cấp điện áp 3 pha tạo ra từ trường quay với tần số bằng tần số
dịng điện stator. Vì vậy để kiểm sốt từ trường quay cần kiểm sốt dịng điện stator.

5

Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Khi đặt một điện áp xoay chiều 3 pha vào các cực của động cơ, trong các cuộn
dây stator xuất hiện dòng điện xoay chiều, dòng điện này tương tác với từ trường rotor
sinh ra moment. Do stator được gắn cố định, rotor quay tự do nên rotor sẽ quay theo
chiều moment sinh ra. Góc giữa vector từ trường rotor  r và vector dịng điện stator i s
phải được kiểm sốt cẩn thận để tạo ra moment cực đại trên đầu trục động cơ và đạt
được hiệu suất chuyển đổi điện cơ cao. Vì mục đích này, ta phải điều khiển động cơ theo
vịng kín.
Vector dịng điện stator i s phải quay cùng tần số với vector từ trường rotor  r ,
nếu khơng thì moment trên đầu trục động cơ sẽ bị đập mạch, động cơ bị rung và gây
tiếng ồn. Ngồi ra nếu qn tính rotor iên của hệ truyền động điện và phải tính đến từ khi thiết kế. Vì lý
do đơn giản khi thực hiện kỹ thuật và vì khả năng đạt độ phân giải cao, đây là phương
án rất hay được sử dụng. Khó khăn cần giải quyết là vấn đề hài bậc cao do điều chế điện
55


Chương 3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm và kết quả chạy thực nghiệm

áp gây nên.Thơng thường, ta có thể giải quyết bằng cách thêm các khâu lọc số nhưng
việc này dẫn đến trể ảnh hưởng đến động học BĐK.
(k-1)
u,i

TP+TT

M

(k+1)

(k)

T0,7

M

Sóng cơ bản của dịng stator

TP+TT

Dịng thực

T0,7

TP+TT

T0,7

M

M

t

Điện áp

Hình 3.29 Thời điểm trích mẫu (M)

Để đo chính xác hài cơ bản, đồng thời khử triệt để hài bậc cao do băm xung áp
gây nên, ta phải xác định được thời điểm trích mẫu đo phù hợp. Theo hình 3.29 trích
mẫu đo xảy ra đúng chính giữa khoảng thời gian T0 hoặc T7 .
Ưu điểm của phép đo trên là không cần đến khâu lọc số và do đó loại trừ được
khả năng gây quán tính phụ cho phép đo. Nhược điểm dễ thấy là vì T0 cũng như T7 ln
thay đổi tùy chế độ vân hành, dẫn đến thời điểm trích mẫu là khơng cố định khó khăn
cho việc thực hiện như hình 3.30. Có thể khắc phục nếu ta sử dụng khung thời gian như
hình 3.31 và thời điểm trích mẫu đo chính giữa khoảng thời gian T7 .
(k-1)

(k+1)

k

(k)

(k-1)

u

(k+1)

u

v

v
w

T0 (k  1)

2

u1

u2

u7

u2

u1

u0

Tp

Tt

T7

Tt

Tp

T0

w

T0 (k)
2

Hình 3.30 Trình tự điều chế theo lý thuyết

u0

u1

u2

u7

u2

u1

u0

T0 (k)
2

Tp

Tt

T7

Tt

Tp

T0 (k)
2

Hình 3.31 Trình tự điều chế sau khi sửa

56


Chương 3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm và kết quả chạy thực nghiệm

Trên hình 3.31 dễ thấy tần số trích mẫu và tần số băm xung là bằng nhau nhưng
trong thực tế, xu hướng tăng tần số băm xung để giảm sóng hài bậc cao trong dịng đã
dẫn đến giải pháp chọn tàn số băm xung bằng số nguyên lần tần số trích mẫu. Việc trích
mẫu đo sẽ xảy ra ở chính giữa khoảng thời gian T7 cuối cùng của chu kỳ băm xung hoặc
thời điểm chính giữa 2 chu kỳ điều khiển.
Trong đồ án này, em đặt tần số phát xung bằng hai lần tần số trích mẫu:

f pulse  2 f sample  10kHz

(3.21)

3.5 Xây dựng chương trình trên vi điều khiển
Chương trình trên vi điều khiển xử lý trên 2 khối xử lý song song để tăng tốc độ
tính tốn và sử lý cho bài tốn:
 CPU: Cấu hình các module, lưu các biến, truyền thơng.
 CLA: Tính tốn các thuật tốn cho hệ thống.
Khối ADC sẽ đọc các tín hiệu điện áp DC, dịng điện pha. Việc kích hoạt ADC
bắt đầu chuyển đổi được tín hiệu SOCx từ Module PWM1 kích hoạt với chu kỳ trích
mẫu bằng tần số phát xung 10kHz .
Khối PWM được cài đặt với tần số phát xung 10kHz (đếm lên và đếm xuống).

Hệ số điều chế từng kênh PWM sẽ được cập nhật sau mỗi chu kỳ khi CLA thực hiện
thuật toán và cấu trúc điều khiển xong.
Khối CLA thực hiện thuật toán, cấu trúc điều khiển sau khi ADC xử lý thức xong
và tính tốn hệ số điều chế.
Trong đồ án này em sử dụng tần số phát xung 10kHz , tần số trích mẫu bằng tần
số vịng điều khiển dòng điện bằng 5kHz , tần số vòng điều khiển tốc độ và vịng điều
khiển vị trí là 1kHz .

57


Chương 3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm và kết quả chạy thực nghiệm
TMS302F28377s
Inc
Encoder

QEP3

Current
U-phase

ADCINA 1

ADCARESULT 1

ADCINA 2

ADCARESULT 2

FOC+Inverter

(CLA)

iu ( k )

SOC 1

Current
V-phase
SOC 2

iv ( k )
Protect Limit
-Over volatge
- Over current
- Under volatge
- Under current
CPU

EOC 2

ADC interrupt

Voltage
DC

ADCINA 0

ADCARESULT 0

U dc ( k )

Buzzer

Short – circuit
CPU

SOC 0

ePWM8A
ePWM8.CMPA

Dead Band
PWM 8

PWM 8
ePWM8SOCA

PWM 9

Driver

ePWM8B

TZ2
ePWM9A

ePWM9A
ePWM9.CMPA

Trip zone

PWM 8

ePWM9B

Dead Band
PWM 9

Trip zone
PWM 9

ePWM9B

TZ2

ePWM11.CMPA

PWM 11

ePWM11B

Dead Band
PWM 11

Trip zone
PWM 11

ePWM11B
Fault Pin

TZ2

TZ2
GPIO 13

Hình 3.32. Sơ đồ tổ chức chương trình trên DSP

Theo hình 3.32, các modul PWM được cấp xung đồng bộ đếm, sau khi bộ đếm
của PWM đếm lên từ không và đạt giá trị lớn nhất (giá trị này do người dùng đặt và nó
có quan hệ mật thiết với chu kì phát xung) thì các ADC nhận được tín hiệu SOCx từ
PWM, ADC bắt đầu đọc các giá trị: dòng điện, điện áp một chiều. Sau khi ADC đọc
xong, sẽ phát tín hiệu EOC báo hiệu việc đọc đã kết thúc, tín hiệu này gây ra ngắt cho
CLA, trong chương trình ngắt của CLA, ta thực hiện đọc kết quả đo dịng, chuẩn hóa dữ
liệu và thực hiện các bộ điều chỉnh dịng điện, tốc độ, vị trí, tính tốn hệ số điều chế và
phát xung điều khiển van IGBT. Bên CPU sẽ thực hiện các công việc như: truyền thơng
(hiện chưa có trong đồ án) và kiểm tra tín hiệu báo lỗi (q dịng, q nhiệt, ngắn mạch)
từ van và nếu có lỗi, lập tức ngừng phát xung và đưa các tín hiệu xung phát vào IGBT
về mức thấp.
58


Chương 3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm và kết quả chạy thực nghiệm

Start
Start

Vị trí đỉnh cực

Khai báo biến và các module
tính tốn

S

Reset counter

Đ
Bắt đầu đọc
encoder

Khởi tạo cấu hình các mudule
PWM, ADC, QEP, CLA
- Xác định hướng
- Đếm xung -> counter

Vịng lặp vơ hạn
- Tính góc điện và góc
cơ

Hình 3.33. Lưu đồ thuật tốn hàm

Hình 3.34. Lưu đồ thuật tốn đọc encoder

main

Hình 3.33, hàm main được thực hiện bên CPU có nhiệm vụ khai báo các tham số
điều khiển, khởi tạo và cài đặt các moudule hệ thống, phát hiện lỗi trên van để dừng hệ
thống kịp thời.
Hình 3.34, QEP là 1 module ngoại vi chuyên sử dụng để đọc tín hiệu do increment
encoder phản hồi và trả về các thơng tin: hướng, vị trí.
Ban đầu khi roto chưa ở vị trí đỉnh cực thì ta ln giữ thanh ghi đếm xung encoder
là 0. Sau q trình khởi động đó, ta bắt đầu đếm xung. Ở chế độ bình thường, encoder

có 1 xung Z để reset xung đếm được về 0 khi kết thúc 1 vịng quay, vì vậy QEP đọc về
ln trong khoảng 0-1 nên rất khó để xử lý bài tốn điều khiển vị trí nhiều vịng quay.
Để giải quyết vấn đề này, module QEP cho phép chạy ở chế độ tràn thanh ghi đếm xung
mà không sử dụng xung Z.

59


Chương 3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm và kết quả chạy thực nghiệm

Start

- Khai báo tham số BĐK
- Khai báo giá trị đặt

S

Vị trí đỉnh cực

Đưa roto về vị trí đỉnh
cực

Đ
- Ramp lượng đặt
- Đọc phản hồi dịng, tốc
độ, vị trí

- Thực hiện các BĐK

- Tính tốn hệ số điều

chế và phát xung

Hình 3.35. Lưu đồ thuật tốn CLA

Khi có tín hiệu khởi động, rotor được đưa về vị trí ban đầu bằng bộ điều khiển
dịng điện (nội dung phương pháp đã nói ở phần 3.3.3). Sau đó tiến hành khởi động động
cơ với các chế độ điều khiển: moment, tốc độ, vị trí. Với tốc độ thực hiện vịng dịng
bằng 5 lần vịng tốc độ và vị trí.

60


Chương 3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm và kết quả chạy thực nghiệm

3.6 Kết quả chạy thực nghiệm
Sau các bước chuẩn bị: về mạch phần cứng (mạch điều khiển, mạch đo, mạch
lực, mạch nguồn…), chuẩn hóa dữ liệu (chuẩn hóa các bộ điều chỉnh, các thuật tốn tính
tốc độ, thuật tốn SVM) và lập trình phần mềm (lập trình trên phần mềm CCS các thuật
toán đo lường, điều khiển, phát xung và bảo vệ). Em tiến hành chạy thực nghiệm với 2
động cơ nêu trên và kết quả như sau.
3.6.1 Chế độ điều khiển tốc độ
Để kiểm chứng khả năng thay đổi vận tốc nhanh, trơn, mịn, em lần lượt cho thay
đổi lượng đặt tốc độ với kịch bản như sau: 350 v/p -> 1450v/p -> 1000v/p.

Hình 3.36. Hệ số điều chế

Hình 3.37. Đáp ứng tốc độ

61