NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ DÙNG ĐỘNG CƠ IPM - Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (18)

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hà Nội, 6-2018


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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
DÙNG ĐỘNG CƠ IPM

Trưởng bộ môn

: PGS.TS. Trần Trọng Minh

Giáo viên hướng dẫn

: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh

Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Hoàng Nam

Lớp

: TĐH05 - K58

MSSV

: 20132677

Giáo viện duyệt

:

Hà Nội, 6-2018


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ truyền động điều khiển
vị trí dùng động cơ IPM do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS.
Bùi Quốc Khánh. 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 hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 5 tháng 6 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Nam


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................. i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ..................................................................................... ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................... iii
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 1
Chương 1 ........................................................................................................................ 2
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU .................... 2
1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc ............................................................................. 2
1.2. Phân loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu .................................................. 3
1.3. Mô tả toán học đồng cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ......................................... 4
1.4. Đặc tính momen của động cơ .............................................................................. 6
1.5. Thuật toán momen cực đại (MTPA) cho động cơ IPM ....................................... 9
1.6 Các phương pháp điều khiển động cơ IPM ........................................................ 11
1.7. Vấn đề điều khiển momen của động cơ IPM..................................................... 12
1.8. Động cơ IPM kiểu mới ...................................................................................... 14
Chương 2 ...................................................................................................................... 16
TỔNG HỢP HỆ TRUYỂN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ IPM ..... 16
2.1. Cấu trúc chung của điều khiển dịng điện .......................................................... 16
2.1.1 Các phương trình của động cơ IPM mới ...................................................... 16
2.1.2. Mơ hình mạch vịng dịng điện ................................................................... 17
2.1.3. Tổng hợp các mạch vòng dòng điện ........................................................... 18
2.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ .......................................................................... 22
2.3. Mô phỏng hệ truyền động điều khiển tốc độ ..................................................... 23
2.3.1. Thông số động cơ và tham số bộ điều khiển............................................... 23
2.3.2 Tính tốn lượng đặt isd ................................................................................ 25
2.3.3. Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 25
Chương 3 ...................................................................................................................... 28
HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ TRONG CHẾ ĐỘ BÁM ................ 28
3.1. Khái quát về hệ điều khiển vị trí ........................................................................ 28

3.2. Cấu trúc chung của hệ điều khiển vị trí ............................................................. 29
3.2.1 Cấu trúc vật lý của hệ điều khiển vị trí ........................................................ 29
3.2.2. Cấu trúc điều khiển cơ bản hệ điều khiển vị trí .......................................... 32
3.3. Điều khiển vị trí chế độ bám .............................................................................. 33
3.3.1. Độ chính xác của hệ điều khiển .................................................................. 33
3.3.2. Các tiêu chuẩn đánh giá sai lệch ................................................................. 38
3.4. Các phương pháp nâng cao độ chính xác .......................................................... 39
3.4.1. Các phương pháp nâng cao độ chính xác bám lượng đặt ........................... 39
3.4.2. Nâng cao độ chính xác kháng nhiễu ........................................................... 44
Chương 4 ...................................................................................................................... 45
ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ IPM VÀO TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ LÀM
VIỆC TRONG CHẾ ĐỘ BÁM CĨ THƠNG SỐ THAY ĐỔI................................ 45
4.1. Đối tượng điều khiển ......................................................................................... 45
4.2. Động lực học trong truyền động cho cơ cấu ...................................................... 45
4.3. Thiết kế điều khiển tốc độ.................................................................................. 48
4.3.1. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ ...................................................................... 48
4.3.2. Mô phỏng .................................................................................................... 50
4.4. Thiết kế bộ điều khiển vị trí ............................................................................... 52
4.4.1. Cấu trúc bộ điều khiển vị trí........................................................................ 52
4.4.2. Mơ phỏng .................................................................................................... 54
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 58
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 59


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Cấu tạo của động cơ đồng bộ SPM (a) và IPM (b). ............................................ 4
Hình 1.2 Đồ thị vector động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. ........................................... 5
Hình 1.3 Mơ hình tốn học của động cơ IPM. .................................................................... 6
Hình 1.4 Đồ thị momen động cơ đồng bộ a) cực lồi b) cực ẩn. .......................................... 8
Hình 1.5 Giới hạn làm việc của động cơ. .......................................................................... 10
Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển FOC cho động cơ IPM vùng tốc độ cơ bản. ...................... 11
Hình 1.7 Đồ thị vector IPM khi điều khiển isd > 0. ........................................................... 13
Hình 1.8 Cấu trúc IPM kiểu mới a) IPM nhiều lớp b) IPM cấu trúc chữ V...................... 14
Hình 1.9 Đồ thị véc tơ động cơ IPM có Lsq > Lsd.............................................................. 15
Hình 2.1 Cấu trúc của bộ điều khiển dịng điện. ............................................................... 18
Hình 2.2 Cấu trúc mạch vịng dịng điện isd. .................................................................... 19
Hình 2.3 Bù nhiễu mạch vịng dịng điện isd. ................................................................... 20
Hình 2.4 Cấu trúc mạch vịng dịng isq. ............................................................................ 21
Hình 2.5 Cấu trúc bù nhiễu cho mạch vịng isq. ............................................................... 21
Hình 2.6 Cấu trúc của mạch vịng điều khiển tốc độ vùng tốc độ cơ bản. ........................ 22
Hình 2.7 Cấu trúc feefforword bù nhiễu tải. ..................................................................... 23
Hình 2.8 Sơ đồ mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ IPM. .............................................. 26
Hình 2.9. Momen của động cơ khi khởi động và ăn tải. ................................................... 26
Hình 2.10 Tốc độ động cơ khi khởi động và ăn tải. .......................................................... 26
Hình 2.11 Momen động cơ khi đảo chiều quay. ............................................................... 27
Hình 2.12 Tốc độ động cơ khi đảo chiều quay. ................................................................. 27

i


Danh mục hình vẽ

Hình 3.1 Mơ tả hệ truyền động điều khiển vị trí. .............................................................. 30
Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển vị trí ba mạch vịng nối tầng. ............................................. 32
Hình 3.3 Đáp ứng của hệ điều khiển truyền động chế độ bám. ........................................ 34

Hình 3.4 Các sai số thiết bị của hệ điều khiển truyền động trong trạng thái xác lập. ....... 34
Hình 3.5 Cấu trúc tổng quát của một mạch vòng trong hệ điều khiển truyền động điện. . 35
Hình 3.6 Đáp ứng hệ theo bám lượng đặt. ........................................................................ 37
Hình 3.7 Điều khiển bám lượng đặt dùng giải pháp hạ cấp vơ sai lượng đặt. .................. 41
Hình 3.8 Ngun lý điều khiển feedforward lượng đặt. .................................................... 42
Hình 3.9 Điều khiển bám lượng đặt dùng Feedforward. ................................................... 43
Hình 4.1 Cấu trúc của cơ cấu chấp hành. .......................................................................... 45
Hình 4.2 Momen cản và momen quán tính trong truyền động của cơ cấu. ...................... 47
Hình 4.3 Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ truyền động cho cơ cấu. ..................................... 48
Hình 4.5 Tốc độ động cơ trước khi có FFW tải ................................................................ 51
Hình 4.6 Sai lệch tốc độ động cơ trước khi có FFW tải. ................................................... 51
Hình 4.7 Tốc độ động cơ sau khi có bù FFW tải. ............................................................. 52
Hình 4.8 Sai lệch tốc độ động cơ sau khi có bù FFW tải. ................................................. 52
Hình 4.9 Cấu trúc của mạch vịng điều khiện vị trí có FFW lượng đặt. ........................... 53
Hình 4.10 Đồ thị vị trí thực và vị trí đặt khi chưa có FFW lượng đặt. .............................. 54
Hình 4.11 Sai lệch vị trí thực và vị trí đặt khi chưa có FFW lượng đặt. ........................... 55
Hình 4.12 Đồ thị vị trí thực và vị trí đặt khi có FFW lượng đặt. ...................................... 55
Hình 4.13 Đồ thị vị trí thực và vị trí đặt khi có FFW lượng đặt. ...................................... 56

ii


Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.1 Thông số động cơ mô phỏng .............................................................................. 23

ii

Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

IPM

Interior Permanent Magnet

Động cơ ĐB NCVC chìm

SPM

Surface Permanent Magnet

Động cơ ĐB NCVC bề mặt

MTPA

Maximum Torque per Ampere

Cực đại momen với dòng điện

FOC

Field Oriented Control

Điều khiển tựa từ thông rotor

DTC

Direct Torque Control

Điều khiển momen trực tiếp

iii


Lời nói đầu

LỜI NĨI ĐẦU
Kể từ khi ra đời cho đến nay, động cơ điện được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực như robot, máy gia công kim loại, ô tô điện…Trong số các loại động cơ điện, động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có nhiều ưu điểm nổi trội, chia làm hai loại là động
cơ nam châm vĩnh cửu chìm (IPM) và động cơ nam châm vĩnh cửu bề mặt (SPM).
Động cơ IPM có các nam châm vĩnh cửu đặt sâu trong rotor, cấu trúc này không chỉ
bền vững khi vận hành ở tốc độ cao mà còn tạo ra sự khác nhau giữa điện cảm dọc trục và
ngang trục Lsd và Lsq. Chính sự khác nhau này đã giúp cho động cơ IPM có thêm phần
momen khác ngoài phần momen đồng bộ. Để tận dụng phần momen này, các nhà sản xuất
máy điện đã chế tạo ra loại động cơ IPM kiểu mới, có Lsd < Lsq và tỉ số Lsq/ Lsd lớn.
Qua quá trình tìm hiểu, em quyết định chọn đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu hệ
truyền động điều khiển vị trí dùng động cơ IPM”. Bài báo cáo được trình bày với nội
dung gồm 4 chương






Chương 1. Tổng quan về động cơ đông bộ nam châm vĩnh cửu.
Chương 2. Tổng hợp hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ IPM.
Chương 3. Hệ truyền động điều khiển vị trí trong chế độ bám.
Chương 4. Ứng dụng động cơ IPM vào điều khiển truyền động vị trí trong chế độ
bám có thơng số thay đổi theo góc quay.
Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS. Bùi Quốc Khánh đã hướng dẫn tận tình

trong suốt q trình làm đồ án tốt nghiệp để em có thể hoàn thành được đồ án đúng thời
hạn. Tuy nhiên do nhưng hạn chế của bản thân nên không thể tránh khỏi sai sót. Vì vậy rất
mong được sự góp ý đánh giá của các thầy cơ để em có thể hoàn thiện thêm đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Nam

1


Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU

1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã được chế tạo ra từ rất sớm. Tuy nhiên, do
những hạn chế về công nghệ vật liệu từ mà động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nhiều

hạn chế như so với động cơ một chiều. Mãi cho đến năm 1984, hãng GE của Mỹ và hãng
Sumitomo Metals của Nhật đồng thời công bố sản xuất ra loại nam châm vĩnh cửu mới, là
sự kết hợp của đất hiếm (Nd), sắt (Fe) và Bo (B), gọi là NdFeB. Cho đến nay, đây vẫn là
loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất từng được chế tạo. Việc sản xuất thành công loại nam
châm vĩnh cửu này đã làm giúp cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nhiều ưu điểm
và được ứng dụng nhiều trong công nghiệp.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là máy điện xoay chiều có tốc độ quay của
rotor bằng tốc độ quay của từ trường. Khi ta đặt vào các cuộn dây stator điện áp xoay chiều
ba pha, dòng điện chạy trong dây cuốn sẽ sinh ra một từ trường quay. Từ trường quay này
sẽ tương tác với từ trường của rotor theo nguyên lý cảm ứng điện từ, tạo thành momen kéo
rotor quay. Ở chế độ xác lập, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có tốc độ quay của rotor
ln khơng đổi khi tải thay đổi, phụ thuộc vào tần số của nguồn và số cặp cực của động
cơ. Tốc độ quay của của động cơ được tính theo biểu thức


Trong đó:

2 f s
pp

pp là số cặp cực

f s là tần số nguồn áp.
Cấu tạo của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu gồm rotor và stator.

2

(1.1)

Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Stator của động cơ đồng bộ bao gồm lõi thép và dây cuốn stator của động cơ. Lõi
thép được chế tạo bằng các lá tôn silic ép chặt vào nhau, có phủ sơn cách điện. Dây cuốn
stator của động cơ có hai kiểu quấn. Nếu quấn rải thì ta có động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu, cịn nếu quấn tập trung thì đó là động cơ một chiều không chổi than.
Rotor của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được chế tạo bằng thép đúc và gia
cơng thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ. Nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt
hoặc bên trong của khối. Chính sự khác biệt về mặt cấu tạo này cho phép ta phân loại được
động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.

1.2. Phân loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể chia làm hai loại: động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu bề mặt và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt (Surface Permanent Magnet
Syschronous Motor - SPM) có nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của rotor, khe hở
khơng khí lớn. Do đó điện cảm đồng bộ dọc trục và ngang trục xấp xỉ bằng nhau (Lsd =
Lsq). Mật độ từ thông khe hở khơng khí phân bố đều, do vậy độ đập mạch momen nhỏ.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent Magnet
Syschronous Motor - IPM) có nam châm vĩnh cửu được gắn bên trong rotor, vị trí gắn nam
châm trên trục d khác trục q. Do đó điện cảm đồng bộ dọc trục và ngang trục khác nhau
(Lsd ≠ Lsq), nên mật độ từ thơng khe hở khơng khí phân bố không đều, độ đập mạch momen
lớn hơn so với động cơ SPM.

3


Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

..

Usa

Usa
N

S

..
N

S

..

..

..

Usc

S

N

S

..
Usc

N

Usb

Usb

b)

a)

Hình 1.1. Cấu tạo của động cơ đồng bộ SPM (a) và IPM (b).

1.3. Mơ tả tốn học đồng cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Khi đặt vào động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu một điện áp xoay chiều ba pha thì
trên cuộn dây stato xuất hiện ba dịng điện pha được mơ tả dưới dạng vector is trên không
gian với tần số stator f s . Cũng giống như dòng điện, các đại lượng khác cũng được biểu
diễn dưới dạng vector trên hệ trục tọa độ d-q, có tốc độ quay bằng với tốc độ quay của từ
trường. Trục d gắn với trục của từ trường kích từ  f .
Phương trình cơ bản của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

us  Rs is 

d f
dt

 js f

(1.2)

Bỏ qua điện áp rơi trên điên trở, ta có đồ thị vector của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh

cửu

4


Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

q

U sq

Us

Es

I sq



Is

s


 sq

I sd

U sd

f

 sd

d

Hình 1.2 Đồ thị vector động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Với giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hòa, các cuộn dậy stato đối xứng, điện áp
cấp cho cuộn dây là đối xứng ba pha và các thông số của động cơ khơng thay đổi trong q
trình động cơ vận hành, mơ tả tốn học của động cơ trên hệ tọa độ d-q như sau.
Phương trình các các thành phần từ thông

 sd  Lsd isd   f


 sq  Lsqisq

(1.3)

Từ (1.2) và (1.3), ta thu được hệ phương trình điện áp

disd

u

R
i

L
 s Lsqisq

sd
s
sd
sd


dt

u  R i  L disq   L i   
sq
s sq
sq
s sd sd
s f

dt


(1.4)

Phương trình tính momen điện từ
mM 

3
p p  sd isq  sqisd 
2

5

(1.5)

Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Thay (1.5) vào (1.7), ta có được phương trình momen của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu
mM 

3
p p  f isq  (L sd  L sq )i sd isq 
2 

(1.6)

Momen quay của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bao gồm hai thành phần.
Thành phần momen chính và thành phần momen phản ứng phần ứng do chênh lệch điện
cảm trên các trục thành phần gây nên.
mc
_

usd +
+

1
Rs 1  sTsd 

isd

Lsd  Lsq +
+

3 pp

pp

2

Js

s

Lsd

Lsq

usq +

_
_

1
Rs 1  sTsq 

isq

f

Hình 1.3 Mơ hình tốn học của động cơ IPM.

1.4. Đặc tính momen của động cơ

Công suất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được tính theo cơng thức

P  3U s I s cos 

(1.7)

Với Us, Is là điện áp và dòng điện đặt vào stator
Từ đồ thị vector hệ trục tọa độ tựa từ thơng rotor hình 1.2. Ta có
I s cos   I sq cos   I sd sin 

6

(1.8)


Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Bỏ qua điện áp rơi trên điện trở, điện áp trên các trục có phương trình


U sd  E  X d I sd


U sq   X q I sq

(1.9)

Từ (1.9), ta xác định được các dòng thành phần
I sd 

U s cos   E
U sin 
; I sq  s
X sd
X sq

(1.10)

Từ (1.7) đến (1.10) ta có cơng thức tính cơng suất động cơ

P3

U s .Es
3
1
1
sin   U s2 (

)si n 2
Xs
2
X sq X sd

(1.11)

Momen động cơ được tính:

mM =

P

s

=

3p p U s E
 X  X sd  sin 2 
sin   U s 2 sd


2s  X sd
2 X sd X sq


(1.12)

Trong đó suất điện động động cơ E  s f , X sd  s Lsd ; X sq  s Lsq là điện kháng dọc trục
và điện kháng ngang trục của stato động cơ, góc δ là góc giữa véc tơ điện nguồn cấp U s
và sức điện động động cơ Es ,  được gọi là góc tải.
Đối với động cơ cực ẩn, Lsd  Lsq momen động cơ có một thành phần là

mM 

3 p p U s .E
2s X ds

sin 

(1.13)

Momen này được gọi là momen đồng bộ, nó sinh ra do tác động bởi từ thơng kích từ  f
và dịng điện phần ứng isq , được mơ tả trên hình 1.4a.


Ta thấy động cơ làm việc trong vùng góc δ (0 ÷ ), ứng với δ =
ta có momen động cơ
2

cực đại, khi góc tải lớn hơn

2


thì động cơ mất đồng bộ và dừng làm việc.
2

7


Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

mM (N.m)

mM (N.m)

Mmax

Mmax

Mdm

δ(rad)

δ(rad)

δdm

π/2
a

π

π/4

π/2
b

π

Hình 1.4 Đồ thị momen động cơ đồng bộ a) cực lồi b) cực ẩn.
Momen định mức động cơ mM ứng với góc  dm , khi thiết kế người ta thường chọn góc định
mức  dm khoảng dưới


để tăng khả năng quá tải của động cơ. Ý nghĩa của góc tải là rotor
6

động cơ mặc dù cùng quay với tốc độ đồng bộ, nhưng luôn chậm pha so với stator, tức là
biến đổi điện thành cơ (điện năng sinh ra cơ năng). Ngược lại khi động cơ làm việc trong
chế độ máy phát vector sức điện động vượt trước vetor điện áp (cơ năng sinh ra điện năng).
Đối với động cơ cực lồi (hình 1.1b) vì Lsd  Lsq nên ngồi momen đồng bộ, ta có momen

phản ứng phần ứng, sinh ra do tác động của hai thành phần dòng isd và isq
ma 

3 pp
2s

U s2

( X sd  X sq )
2 X sd X sq

sin 2

Do Ld  Lq nên momen phản ứng trợ từ nên sinh momen dương ở vùng 0   
vùng


2

(1.14)

2

, trong

    phản ứng phần ứng là khử từ nên sinh momen âm. Đồ thị momen của động

cơ đồng bộ cực lồi sẽ là tổng của hai momen: Đồng bộ (momen chính) và momen phản
ứng phần ứng (momen phụ), momen tổng của động cơ đồng bộ cực lồi có giá trị lớn hơn
momen của động cơ cực ẩn trong vùng 0   

8


2

, đồ thị ở momen như hình 1.4b.


Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.5. Thuật toán momen cực đại (MTPA) cho động cơ IPM
Từ phương trính momen của động cơ (1.6) và đồ thị đặc tính momen động cơ hình
1.4b, ta có thể thấy rằng muốn tận dụng phần momen phản ứng phần ứng để tăng momen
tổng của đơng cơ thì ta phải tăng giá trị dòng điện isd. Tuy nhiên khi tăng isd thì lại dẫn tới
làm giảm isq do giới hạn dòng điện của động cơ.

I s  isq2  isd2  I s max

(1.15)

Từ đồ thị vector hình 1.2, khi tăng giá thị dòng isd sẽ làm tăng góc φ, dẫn đến cosφ
giảm, làm giảm hiệu suất của động cơ. Đồng thời, khi tăng isd sẽ làm tăng từ thông thành
phần trục d là  sd  Lsd isd  f làm cho thành phần sức điện động s sd tăng lên khi vận
hành ở vùng tốc độ cơ bản và vùng tốc độ cao, làm quá giới hạn điện áp của động cơ.

U s  usq2  usd2  U s max

(1.16)

Từ mơ hình động cơ, ta có giá trị momen của động cơ là một hàm của các thơng số
điện cảm, dịng điện các trục d-q và từ thông cực được xác định ở (1.6). Ta có thể thấy sẽ
có vơ số cặp (isd, isq) đồng thời cùng thỏa mãn để tạo ra một giá trị momen. Từ đó đặt ra
câu hỏi làm thế nào để chọn được dòng điện (isd, isq) phù hợp mà mỗi giá trị isd có thể tìm
được một cặp giá trị (isd, isq) tại đó momen mM đạt cực đại. Đây cũng là thuật tốn tìm tỉ số
momen cực đại trên dịng điện (MTPA).
Thay (1.6) vào phương trình giới hạn điện áp, ta thấy giá trị giới hạn điện áp lại thay
đổi theo tốc độ, được thể hiển ở phương trình dưới đây:

Us 

R i

s sd

 s Lsqisq   ( Rsisq  s Lsd isd  s f )2
2

(1.17)

Bỏ qua sự sụt áp trên điện trở:

L i 
sq sq

2

U

 ( Lsd isd   f )   s max 

 s 
2

2

(1.18)

Phương trình (1.17) cho thấy đặc tính giới hạn của điện áp biểu diễn theo isd và isq
là một hàm phụ thuộc vào tốc độ quay, tại mỗi một giá trị tốc độ thì đặc tình là một hình

9


Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

elip có tâm tại tọa độ (0,−

𝜓𝑓
𝐿𝑠𝑑

). Đồ thị giới hạn dịng điện là đường trịn bán kính khơng đổi

là Ismax, tâm đường trịn ở gốc tọa độ (đường nét liền).
q

f

 0, 
Lsd


isq





Ismax

.

isd

d

3

2

1

1  2  3
Hình 1.5 Giới hạn làm việc của động cơ.
Từ phương trình momen của động cơ (1.8) và phương trình giới hạn dịng điện
(1.15), ta viết lại được biểu thức momen như sau:
mM 

3 
p p  f I s2  isd2   Lsd  Lsq  isd I s2  isd2 


2 

(1.19)

Đạo hàm giá trị momen theo dòng điện, ta thu được mối quan hệ giữa isd và isq cho MTPA
ở tốc độ cơ bản.
isd 

f

2  Lsq  Lsd 



 2f

4  Lsq  Lsd 

2

 isq2

(1.20)

Biến đổi (1.20), ta có được cơng thức thể hiện mối quan hệ của dòng điện isd và Is
isd 

f

4  Lsq  Lsd 



10

 2f

16  Lsq  Lsd 

2

I s2

2

(1.21)


Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.6 Các phương pháp điều khiển động cơ IPM
Trong các hệ truyền động động cơ đồng bộ, có hai phương pháp điều khiển chính
là điều khiển momen trực tiếp (DTC) và điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC).
Phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông rotor có nhiều ưu điểm và cho chất lượng
điều khiển tốt hơn cả. Vì vậy, ngày nay, người ta chủ yếu sử dụng phương pháp này để
điều khiển động cơ IPM.
Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor dựa trên việc biểu diễn mơ hình của
động cơ trên hệ trục tọa độ quay dq có trục d trùng với trục vector từ thơng rotor. Từ đó có
thể biểu diễn các thành phần dòng điện dưới dạng đại lượng một chiều, dễ dàng hơn trong
việc biểu diễn toán học cũng như thiết kế điều khiển.

Trên hình 1.6 là cấu trúc điều khiển FOC cho động cơ IPM ở vùng tốc độ dưới cơ
bản. Mạch nghịch lưu được cấp điện áp Udc đầu vào và được nối với động cơ IPM. Phần
đo lường sử dụng các biến dòng để đo giá trị dịng điện các pha a, b là tín hiệu để phản hồi
dịng điện. Thiết bị đo góc được sử dụng để đo tốc độ động cơ đồng thời làm tín hiệu phục
vụ phần biến đổi tọa độ trong điều khiển và nghịch lưu.
_
+ U dc

isd*

*



_

*
usd

FRI

isq*

R



_

dq

*
usq



_

us*


abc

*
usa
*
usb
usc*


isd
isq



d
dt

us*


dq

is
is

abc

isaisb



IPM

Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển FOC cho động cơ IPM vùng tốc độ cơ bản.
11


Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Phần biến đổi tọa độ chuyển từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ  và từ hệ tọa độ 
sang hệ tọa độ dq tựa theo từ thơng rotor. Tín hiệu dịng điện isa, isb được chuyển từ hệ tọa
độ abc về hệ tọa độ dq để tạo tín hiệu phản hồi dịng điện. Ngược lại, tín hiệu điều khiển
điện áp usd, usq từ bộ điều khiển được chuyển từ hệ tọa độ dq sang abc để đưa vào mạch
nghịch lưu để tạo ta điện áp cấp vào động cơ.
Phần điều khiển bao gồm hai mạch vịng, mạch vịng trong điều khiển dịng điện,
mạch vịng ngồi điều khiển tốc độ. Mạch điều khiển dòng điện gồm có hai kênh điều
khiển: kênh điều khiển từ thơng  sd thơng qua điều khiển thành phần dịng isd và kênh
điều khiển dịng phần ứng thơng qua điều khiển thành phần dịng isq. Mạch vịng ngồi
điều khiển tốc độ, tín hiệu ra của bộ điều khiển tốc độ là tín hiệu đặt cho bộ điều khiển isq.

Tín hiệu đặt co bộ điều khiển isd được tính tốn theo phương pháp MTPA.

1.7. Vấn đề điều khiển momen của động cơ IPM
Động cơ IPM ( hình 1.1b) có Lsd  Lsq nên mơ men có hai thành phần:
mM 

3
p p  f isq   Lsd  Lsq  isd isq 
2 

Cách điều khiển động cơ IPM được thực hiện bằng cách giữ dịng isd = 0, khi đó isq = Is và
momen điện từ tỉ lệ tuyến tính với dịng isq
mM 

3
p p f isq
2

Tuy nhiên phương pháp điều khiển isd = 0 lại không thể tận dụng được phần momen
phản ứng phần ứng của động cơ do các động cơ IPM truyền thống có cấu tạo Lsd  Lsq. Để
có thành phần momen phản ứng là dương ta cần điều khiển dịng isd có giá trị dương. Ta
thấy điều khiển dòng isd dương để tăng momen phản ứng phần ứng, nhưng tăng dòng isd lại
làm giảm dòng isq (do bị giới hạn dòng điện stato Is) dẫn đến momen đồng bộ lại giảm. Do
vậy cần tìm giá trị isd sao cho với giới hạn dịng điện stato ta có mô men động cơ sinh ra là
lớn nhất.

12


Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

q

U sq

Us

Es

I sq

Is





d

I sd

U sd

f

Hình 1.7 Đồ thị vector IPM khi điều khiển isd > 0.
Có ba vấn đề tồn tại:
-

Có sự ràng buộc giữa hai thành phần isd và isq: I s  I sd2  I sq2  I s max , nếu tăng

dịng isd thì phải giảm dòng isq.

-

Khi điều khiển dòng isd > 0 sẽ làm tăng sức điện động tổng Esq  s f  s Lsd isd ,
khi động cơ chạy ở tốc độ định mức, bị chặn bởi giá trị điện áp định mức động cơ,
muốn thực hiện tỷ lệ tối ưu (M / Is )max thì phải tăng điện áp cấp cho động cơ.

-

Khi isd > 0 làm cho giảm hệ số cơng suất (góc φ tăng hình 1.6), tức là giảm khả
năng khai thác công suất tác dụng của động cơ.

Từ ba lý do chính trên nên người ta hạn chế dùng điều khiển isd > 0 mà quay lại dùng điều
khiển isd = 0. Chính vì vậy mà các nhà khoa học đã chế tạo ra loại động cơ IPM kiểu mới
có Lsq > Lsd với tỉ số

Lsq
Lsd

lớn để khắc phục những nhược điểm trên.

13


Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.8. Động cơ IPM kiểu mới
Các nhà chế tạo máy điện đưa ra nhiều loại động cơ IPM có Lsq > Lsd với tỷ số

L sq
L sd

lớn,

trong số đó có là hai loại được dùng phổ biến giá thành rẻ và độ an toàn cao là: IPM kiểu
Multi-Layer magnets sản xuất năm 2011 (hình 1.4a) và IPM cấu trúc chữ V sản xuất năm
2006 (hình 1.4b).
d

d

q

q

N
N

S
S

N

N

S

S

S

S
N
N

a)

b)

Hình 1.8 Cấu trúc IPM kiểu mới a) IPM nhiều lớp b) IPM cấu trúc chữ V.
Từ biểu thức momen (1.8) ta thấy khi Lsq > Lsd và điều khiển isd <0 , thì momen
phản ứng phần ứng ma sẽ dương, nhưng từ thông sd,  Lsd isd lại khử từ, ngược chiều với từ
trường kích từ  f làm suy giảm từ thơng chính  sd   f  sd, . Để đảm bảo thơng số kích
từ của động cơ người ta thiết kế nam châm là quá kích từ. Trên hình 1.5 là đồ thị véc tơ
của động cơ IPM kiểu mới, trong đó hình 1.9a động cơ làm việc ở tốc độ cơ bản ωscb và
hình 1.9b động cơ vận hành ở trên tốc độ cơ bản.
Sức điện động do kích từ nam châm sinh ra tại tốc độ định mức là:
E f 0  scb f

14

(1.19)


Chương 1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
q

U sd
Ef

s Lsd I sd

q

U sd


s Lsd I sd

Ef 0

U sq

U sq

Us





Is

I sq

Is





f
U sd

I sq

f

d
U sd

I sd

d

I sd

a

b

Hình 1.9 Đồ thị véc tơ động cơ IPM có Lsq > Lsd.
a) Động cơ làm việc tại   cb , b) Động cơ làm việc vùng tốc độ trên cơ bản   cb .
Khi động cơ làm việc trên tốc độ cơ bản   cb , ta cần tăng dòng isd (theo chiều
âm) để suy giảm từ thông  sd   f  sd, . Ta thấy khi tốc độ tăng lớn hơn tốc độ cơ bản sức
điện động Ef sẽ tăng theo, tuy nhiên sức điện động cảm ứng cũng tăng, nên điện áp usq vẫn
nằm trong giới hạn, cụ thể khi bỏ qua điện áp rơi trên điện trở stato ta có:

usq  E f  Ed q  s ( f  Lsd isd )

(1.21)

Từ thấy với loại động cơ IPM mới, khi điều khiển isd <0 sẽ khắc phục được hai
nhược điểm của động cơ IPM loại cũ. Do điều khiển isd <0, nên hệ số công suất được nâng
cao tăng khả năng khai thác công suất tác dụng của động cơ, đặc biệt khi vận hành ở vùng
trên tốc độ cơ bản hệ số cơng suất được nâng cao có thể điều khiển cos  1 . Tuy nhiên
vẫn còn hai vấn đề giới hạn đó là giới hạn dịng điện và giới hạn điện áp.

15


Chương 2. Tổng hợp hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ IPM

Chương 2
TỔNG HỢP HỆ TRUYỂN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ IPM

Phương pháp điều khiển tựa từ thơng rotor có cấu trúc như hình 1.6. Trong đó mạch
vịng ngồi là điều khiển tốc độ, mạch vịng trong điều khiển momen (dòng điện). Mạch
vòng điều khiển momen lại bao gồm hai kênh điều khiển, kênh điều khiển từ thơng và kênh
điều khiển dịng phần ứng. Điều khiển từ thơng thơng qua điều khiển dịng isd. Điều khiển
dịng phần ứng thơng qua điều khiển dịng isq. Ta sẽ đi tổng hợp lần lượt các bộ điều khiển
momen và bộ điều khiển tốc độ.

2.1. Cấu trúc chung của điều khiển dịng điện
2.1.1 Các phương trình của động cơ IPM mới
Từ hệ phương trình (1.4) mơ tả phương trình điện áp của động cơ, biến đổi laplace
ta có thể mơ tả động học của mạch vòng dòng điện


1 U sd (s)  s (s) L sq I sq
 I sd (s)  R
1  sTsd

s

 I (s)  1 U sq (s)  s (s) L sd I sd  s (s) f
 sq
Rs
1  sTsd
Để đơn giản trong biểu diễn, đặt:
- Suất điện động cảm ứng của trục q lên trục d, do dòng isq tạo ra là
Eq  d  e qs  e Lsqisq

- Suất điện động cảm ứng của trục d lên trục q, do dòng isd tạo ra là
Ed  q  e sd,  e Lsd isd

- Suất điện động chính của động cơ do từ thông nam châm tạo ra Edc  e f .
Biến đổi (2.1) thành hàm truyền, ta có

16

(2.1)