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 (23)

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:

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

Giáo viên hướng dẫn

: TS. Vũ Hoàng Phương

Sinh viên thực hiện

: Trần Minh Trường

Lớp

: TĐH04 - K58

MSSV

: 20134233

Giáo 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 02 tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Trần Minh Trường


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................. i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU .................................................................................... iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................ v
LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................. vi
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO VÀ ĐỘNG CƠ PMSM
......................................................................................................................................... 1
1.1

Hệ truyền động servo ......................................................................................... 1

1.2 Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu ................................................................... 2
1.2.1 Khái niệm chung ............................................................................................ 2
1.2.2 Cấu tạo động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu ............................................... 3
a) Stato ................................................................................................................ 3
b) Roto ................................................................................................................. 4
1.2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu ................... 4
Chương 2 THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
CHO ĐỘNG CƠ PMSM .............................................................................................. 6
2.1 Phương pháp tựa theo từ thông roto (FOC) .......................................................... 6
2.2 Cấu trúc cơ bản của FOC ...................................................................................... 6
2.3 Mơ hình hóa động cơ ............................................................................................ 8
2.4 Các khâu chuyển hệ trục tọa độ .......................................................................... 10
2.4.1 Khâu chuyển đổi hệ trục abc   ............................................................ 10
2.4.2 Khâu chuyển đội hệ trục   dq ............................................................. 10
2.4.3 Khâu chuyển hệ tọa độ dq   ................................................................ 11

2.5 Khâu điều chế vector điện áp .............................................................................. 11
2.6 Thiết kế các bộ điều khiển .................................................................................. 17
2.6.1 Thiết kế bộ điều khển dòng điện .................................................................. 17
2.6.2 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ quay .............................................................. 20
2.6.3 Thiết kế bộ điều khiển vị trí ......................................................................... 23


2.7 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng .................................................................................... 24
2.8 Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 25
2.8.1 Chế độ điều khiển tốc độ.............................................................................. 25
2.8.2 Chế độ điều khiển vị trí ................................................................................ 27
2.8.3 Nhận xét ....................................................................................................... 30
Chương 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC
NGHIỆM ...................................................................................................................... 31
3.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm......................................................................... 31
3.1.1 Thiết kế mạch lực ......................................................................................... 32
a) Mạch lực........................................................................................................ 32
b) Mạch driver ................................................................................................... 34
3.1.2 Mạch đo dòng điện ....................................................................................... 34
a) Nguyên lý làm việc của các LEM tranducer ................................................. 35
3.1.3 Mạch điều khiển ........................................................................................... 37
a) Vi điều khiển TMS320F2877s ...................................................................... 37
b) Khối lập trình logic ....................................................................................... 40
c) Khối nguồn cấp ............................................................................................. 41
3.1.4 Động cơ thử nghiệm..................................................................................... 42
a) Động cơ 0.4kW L010976 - EMJ-04 ............................................................. 42
b) Động cơ 2.1kW 1FK7080-2AF71-1EA0...................................................... 43
3.1.5 Increment Encoder ....................................................................................... 44
3.2 Chuẩn hóa tín hiệu .............................................................................................. 45
3.2.1 Chuẩn hóa mạch vịng điều chỉnh dịng điện ............................................... 45

3.2.2 Chuẩn hóa mạch vịng điều chỉnh tốc độ ..................................................... 46
3.2.3 Chuẩn hóa mạch vịng điều chỉnh vị trí ....................................................... 47
3.2.4 Chuẩn hóa thuật tốn tính tốn tốc độ ......................................................... 48
3.2.5 Chuẩn hóa tht tốn SVM .......................................................................... 48
3.3 Xác định vị trí đỉnh cực ban đầu ......................................................................... 49
3.3.1 Vì sao phải đưa về vị trí định cực ................................................................ 49
3.3.2 Phương pháp cấp điện áp đặc biệt................................................................ 50
3.3.3 Phương pháp sử dụng bộ điều khiển dòng điện Ri ...................................... 52


3.3.4 Nhận xét ....................................................................................................... 53
3.4 Đo dòng điện stator ............................................................................................. 54
3.5 Xây dựng chương trình trên vi điều khiển .......................................................... 55
3.6 Kết quả thực nghiệm ........................................................................................... 58
3.6.1 Chế độ điều khiển tốc độ.............................................................................. 58
3.6.2 Chế độ điều khiển vị trí ................................................................................ 59
3.6.3 Nhận xét ....................................................................................................... 61
3.7 Kết luận ............................................................................................................... 62
3.7.1 Hạn chế của hệ thống ................................................................................... 62
3.7.2 Phương hướng phát triển .............................................................................. 62
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 64
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 65


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu trúc hệ truyền động điện động cơ xoay chiều 3 pha ................................. 1
Hình 1.2 Cấu tạo động cơ PMSM ................................................................................... 2

Hình 1.3 Stato động cơ PMSM ....................................................................................... 4
Hình 1.4 Roto động cơ PMSM........................................................................................ 4
Hình 2.1 Cấu trúc FOC cho PMSM sử dụng DSP .......................................................... 7
Hình 2.2 Khối chuyển hệ tọa độ abc   .................................................................. 10
Hình 2.3 Khối chuyển đội hệ trục   dq ................................................................. 10
Hình 2.4 Khâu chuyển hệ tọa độ dq   ................................................................... 11
Hình 2.5 Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha ............................... 11
Hình 2.6 Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh  ..................................................... 12
Hình 2.7 Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời usa , usb , usc ........................... 13
Hình 2.8 Thuật tốn xác định vector điện áp trong mỗi sector ..................................... 14
Hình 2.9 Nguyên tắc điều chế vector điện áp ............................................................... 14
Hình 2.10 Mẫu xung chuẩn trong Sector 1 ................................................................... 16
Hình 2.11 Cấu trúc đan kênh của bộ điều khiển dịng điện .......................................... 18
Hình 2.12 Cấu trúc bộ điều khiển dịng stato isd ........................................................... 19
Hình 2.13 Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ ...................................................................... 21
Hình 2.14 Mạch vòng tốc độ xét tới ảnh hưởng của moment tải .................................. 22
Hình 2.15 Cấu trúc bộ điều khiển vị trí......................................................................... 23
Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc mơ phỏng FOC cho động cơ PMSM ................................... 25
Hình 2.17 Đáp ứng tốc độ và lượng đặt (v/p) ............................................................... 25
Hình 2.18 Kết quả phóng to sai lệch tốc độ ở chế độ xác lập ....................................... 26
Hình 2.19 Đáp ứng thành phần dịng isq và lượng đặt isq* ............................................ 26
i


Danh mục hình vẽ

Hình 2.20 Đáp ứng thành phần dịng isd và lượng đặt isd* ............................................ 26
Hình 2.21 Moment động cơ .......................................................................................... 27
Hình 2.22 Đáp ứng vị trí và tốc độ................................................................................ 27
Hình 2.23 Kết quả phóng to sai lệch vị trí xác lập ........................................................ 28

Hình 2.24 Đáp ứng thành phần dịng isq và lượng đặt isq* ............................................ 28
Hình 2.25 Đáp ứng thành phần dòng isd và lượng đặt isd* ............................................ 28
Hình 2.26 Hệ số điều chế .............................................................................................. 29
Hình 2.27 Moment của động cơ .................................................................................... 29
Hình 2.28 Dịng điện pha U của động cơ ...................................................................... 29
Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống thực nghiệm.......................................................... 31
Hình 3.2 Hệ thống thực nghiệm .................................................................................... 32
Hình 3.3 Sơ đồ tổng quan mạch lực .............................................................................. 32
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý 7MBP25RA120 .................................................................. 33
Hình 3.5 Mạch driver HCPL-4505 ............................................................................... 34
Hình 3.6 Sơ đồ tổng quan mạch đo dịng ...................................................................... 34
Hình 3.7 Sử dụng hiệu ứng Hall đo dịng theo vịng kín .............................................. 35
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối LEM ......................................................................................... 36
Hình 3.9 Tổng quang mạch điều khiển ......................................................................... 37
Hình 3.10 Mạch LaunchPad KIT TMS320F28377S .................................................... 38
Hình 3.11 Kiến trúc vi điều khiển ................................................................................. 39
Hình 3.12 Vi điều khiển CPLD EPM240T100C5N TQFP100 ..................................... 40
Hình 3.13 Động cơ L010976-EMJ-04 .......................................................................... 42
Hình 3.14 Động cơ 1FK7080-2AF71-1EA0 ................................................................. 43
Hình 3.15 Increment Encoder ....................................................................................... 44
ii


Danh mục hình vẽ

Hình 3.16 Cách đọc chiều quay Encoder ...................................................................... 44
Hình 3.17 Bộ điều chỉnh dịng điện .............................................................................. 45
Hình 3.18 Moment trên đầu trục động cơ bị đập mạch ................................................ 49
Hình 3.19 Góc offset ..................................................................................................... 50
Hình 3.20 Các vector đặc biệt ....................................................................................... 51

Hình 3.21 Thuật tốn phương pháp cấp điện áp đặc biệt.............................................. 52
Hình 3.22 Trình tự khởi động ....................................................................................... 54
Hình 3.23 Thời điểm trích mẫu (M) .............................................................................. 54
Hình 3.24 Trình tự điều chế theo lý thuyết ................................................................... 55
Hình 3.25 Trình tự điều chế sau khi sửa ....................................................................... 55
Hình 3.26 Lưu đồ thuật tốn hàm main ........................................................................ 56
Hình 3.27 Lưu đồ thuật tốn đọc encoder ..................................................................... 56
Hình 3.28 Lưu đồ thuật tốn tính tốn bên CLA .......................................................... 57
Hình 3.29 Hệ số điều chế .............................................................................................. 58
Hình 3.30 Đáp ứng tốc độ ............................................................................................. 58
Hình 3.31 Đáp ứng tốc độ phóng to quá độ .................................................................. 59
Hình 3.32 Đáp ứng tốc độ chụp trên CCS .................................................................... 59
Hình 3.33 Đáp ứng dịng điện isd ................................................................................. 60
Hình 3.34 Đáp ứng dịng điện isq ................................................................................. 60
Hình 3.35 Đáp ứng vị trí và tốc độ................................................................................ 61
Hình 3.36 Góc điện đã chuẩn hóa ................................................................................. 61

iii


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 ......................................................................... 36
Bảng 3.2 Sơ đồ cổng kết nối cáp nguồn cho động cơ ................................................... 43

iv


Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
FOC

Filed Oriented Control

Tựa từ thông roto

PMSM

Permanent Magnet Synchronous Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Motor

PLC

Programmable logic controller

Bộ điều khiển logic khả trình

DSP

Digital Signal Processing

Bộ xử lý tín hiệu số

QEP

Quadrature Encoder Pulse

Module đọc encoder

BĐK

Bộ điều khiển

ĐCDB-KTVC

Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

v


Lời nói đầu

LỜI NĨI ĐẦU
Trong nhiều thập kỷ qua, máy móc đang khơng ngừng được cải tiến và phát triển.
Cũng vì thế mà cơng nghệ điều khiển truyền động điện ngày càng phát triển tối ưu hơn
để đảm bảo yêu cầu chính xác của tự động hóa trong q trình sản xuất. Một trong những
hệ thống có độ chính xác cao được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống các nhà máy công
nghiệp, các khu vực cầu cảng là hệ thống truyền động động servo.
Động cơ servo ứng dụng rất nhiều trong các ngành phục vụ cho công nghiệp cũng
như đời sống hàng ngày như CNC, cánh tay Robot, Y tế... Tại Việt Nam cũng đã sản
xuất rất nhiều hệ thống điều khiển động cơ, nhưng đối với động cơ servo chất lượng cao
thì đa phần phải nhập của nước ngồi khó có khả năng can thiệp sâu vào hệ thống. Vì
vậy để làm chủ thiết kế và cơng nghệ của bộ Nghịch lưu phía động cơ đồng thời hiểu
được nguyên lý làm việc và phương pháp điều khiển động cơ PMSM, nhóm em đã được

thầy giáo TS.Vũ Hồng Phương giao cho đề tài: “Thiết kế cấu trúc điều khiển FOC
cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu sử dụng increment encoder”, dưới sự
hướng dẫn của thầy TS.Vũ Hoàng Phương em đã hồn thành đề tài tốt nghiệp của
mình.
Nội dung đồ án tốt nghiệp của em bao gồm 3 chương chính như sau:
Chương 1: Tổng quan hệ truyền động servo và động cơ PMSM
Chương 2: Thiết kế cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng cho động cơ PMSM
Chương 3: Xây dựng hệ thống thực nghiệm và kết quả thực nghiệm
Bản báo cáo sẽ khơng thể hồn thành nếu thiếu đi sự hỗ trợ của những người mà
em phải gửi lời cảm ơn sâu sắc: Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS.Vũ
Hoàng Phương đã nhiệt tình hương dẫn em hồn thành đồ án này. Em xin cảm ơn toàn
thể anh em trên PE LAP đã ln giúp đỡ em trong suốt q trình và xin cảm ơn bạn
Nguyễn Như Hiển đã cùng em thực hiện đồ án này.
Mặc dù đã thực hiện rất cẩn thận, nhưng do kiến thức của em còn hạn chế, thời
gian làm đồ án không nhiều nên bản báo cáo khó tránh khỏi sai sót, kính mong các thầy
cơ, cùng các bạn chỉ bảo. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô trong
vi


Lời nói đầu

viện Điện đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt các kiến thức chuyên môn cho em trong
thời gian còn ngồi trên ghế nhà trường.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 29 tháng 05 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Trần Minh Trường

vii


Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ PMSM

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO VÀ
ĐỘNG CƠ PMSM
1.1 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
moment theo yêu cầu ứng dụng. Để hoạt động chuẩn xác, động cơ servo phải kết hợp
với:
-

Động cơ (động cơ một chiều, động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ,…):
có đặc tính động học tốt.

-

Bộ mã hóa xung vòng quay (increment encoder, absolute encoder, resolver): tạo
phản hồi cho hoạt động của động cơ.

-

Bộ điều khiển: thông thường là PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động sử dụng vi
điều khiển.

-

Bộ điều khiển động cơ: thiết bị điện tử có khả năng cung cấp đủ năng lượng cho
động cơ theo đúng cách, đúng thời điểm.

Hình 1.1 Cấu trúc hệ truyền động điện động cơ xoay chiều 3 pha

Cơ cấu truyền động servo được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, y tế cũng
như trong dân dụng. Sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi của hệ thống tự động

1


Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ PMSM

hóa làm cho nhu cầu đối với hệ truyền động servo ngày càng tăng lên. Các ứng dụng
như sau:
-

Chế tạo robot.

-

Đóng gói bao bì, in nhãn mác.

-

Máy gia công điều khiển số (CNC).

-

In ấn, dệt may.

-

Máy phẫu thuật laser, chụp chiếu.
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 Khái niệm chung

Hình 1.2 Cấu tạo động cơ PMSM

2


Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ PMSM

Động cơ đồng bộ là động cơ có tốc độ roto bằng tốc độ của từ trường quay. Ở
chế độ xác lập động cơ đồng bộ có tốc độ quay không đổi khi tải thay đổi.
Tốc độ quay của rotor được xác định bằng cơng thức sau:

n

Trong đó:

60 f
p

(1.1)

n (vòng/phút): tốc độ quay của roto.
f (Hz): Tần số dòng điện xoay chiều.
p: Số cặp cực của động cơ.

Phân loại:
-

Theo chức năng: máy phát, động cơ, máy bù đồng bộ.

-

Theo số pha: máy đồng bộ một pha, máy đồng bộ ba pha.

-

Theo cơng suất: cơng suất nhỏ, trung bình, lớn.

-

Theo cấu tạo roto: cực lồi, cực ẩn.
Ưu điểm:

-

Tốc độ không phụ thuộc vào tải, chỉ phụ thuộc vào tần số.

-

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 vị hoạt động rộng.
Khả năng phát huy momen ở dải công suất thấp kể cả đứng im.

1.2.2 Cấu tạo động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Gồm có 2 phần: phần roto (phần cảm) và stato (phần ứng).
a) Stato
Stato gồm các lá thép kỹ thuật được dập theo hình vành khăn ghép chặt lại với
nhau. Phía trong có xẻ các rãnh để đặt dây quấn.
Dây quấn stato thường là dây đồng hoặc nhôm. Động cơ ba pha có ba cuộn dây
giống nhau đặt lệch nhau trong khơng gian góc 1200 điện. Dây quấn stato gọi là dây
quấn phần ứng.

3


Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ PMSM

Hình 1.3 Stato động cơ PMSM

b) Roto
Được cấu tạo bằng những thanh nam châm, các thanh nam châm có năng suất
năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn trên bề mặt (hình 1.4a) hoặc bên
trong lõi thép roto (hình 1.4b) 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 liệu từ sau đó lọc bằng vật liệu
có độ bền cao, ví dụ như sợi thủy tinh hoặc bắt bu lơng vít lên các thanh nam châm.

Hình 1.4 Roto động cơ PMSM

1.2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
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.

4


Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ PMSM

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 dòng điện stator i s
phải được kiểm soát 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 lớn, rotor sẽ ngừng quay và moment trung bình
trên đầu trục động cơ xấp xỉ không. Điều này chứng tỏ việc khởi động động cơ là một

vấn đề cần được lưu ý. Tốc độ rotor được tính theo cơng thức (1.1).

5


Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng cho động cơ PMSM

Chương 2
THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ
MÔ PHỎNG CHO ĐỘNG CƠ PMSM
2.1 Phương pháp tựa theo từ thông roto (FOC)
Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dịng trong cuộn ứng và
từ thơng sinh ra trong hệ thống kích từ động cơ. Từ thơng phải được giữ ở mức tối ưu
nhằm đảm bảo sinh ra moment tối đa và giảm tối thiểu mức độ bão hòa của mạch từ.
Với từ thơng có giá trị khơng đổi, moment sẽ tỷ lệ với dòng phần ứng.
Động cơ điện tương tự như 1 nguồn moment điều khiển được. Yêu cầu điều khiển
chính xác giá trị moment tức thời của động cơ đặt ra trong các hệ truyền động có đặc
tính truyền động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục roto.
Việc điều khiển động cơ theo nguyên lý định hướng từ trường có nhiều phương
pháp khác nhau như: định hướng từ thông roto, định hướng từ thông stator, định hướng
từ thơng khe hở khơng khí. Trong đó việc điều khiển từ thông roto (FOC) được sử dụng
rộng rãi bởi nó thỏa mãn 2 yếu tố:
-

Dễ dàng cho việc mơ hình hóa.
Dễ thiết kế, xây dựng cấu trúc điều khiển.
Kết luận: Nếu thành công trong việc điều khiển vector dịng is đảm bảo nhanh,

chính xác và khơng tương tác (giữa q trình từ hóa và q trình tạo momen) thì ta có
thể thiết kế các vịng điều khiển vịng ngồi giống với động cơ một chiều.

 Việc thiết kế bộ điều khiển trở nên quen thuộc và đơn giản hơn.

2.2 Cấu trúc cơ bản của FOC
Đối với động cơ một chiều có hai mạch điện kích từ và mạch điện phần ứng hồn
tồn cách lý nhau, vì đó ta có thể điều khiển độc lập hai thành phần là dịng tạo từ thơng
(dịng mạch điện kích từ) và dòng tạo momen quay (dòng mạch điện phần ứng).
Ngược lại, động cơ xoay chiều ba pha có cấu trúc phức tạp và đã gây khó khăn
đáng kể cho việc mơ tả toán học đặc điểm cách ly trên. Nhờ sự phát triển nhanh chó ng
của ngành cơng nghiệp vi xử lý, điện tử công suất nên việc áp dụng các phương pháp
6


Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng cho động cơ PMSM

phức tạp vào điều khiển động cơ không đồng bộ ngày càng trở nên dễ dàng hơn. Một
trong những phương pháp tối ưu hiện nay là phương pháp điều khiển định hướng từ
thông (Field orientated control - FOC). Phương pháp FOC gồm có các loại sau: điều
khiển định hướng theo từ thông stator và điều khiển định hướng theo từ thông rotor.Tuy
nhiên phương pháp điều khiển định hướng theo từ thơng rotor có nhiều ưu điểm vượt
trội: ứng dụng phương pháp vector không gian ta có thể dễ dàng xây dựng mơ hình động
cơ và các phương trình trên hệ tọa độ (d - q), triệt tiêu thành phần từ thông rotor trên
trục (q), cịn thành phần từ thơng rotor trên trục (d) có thể xem như một đại lượng một
chiều, các đại lượng dòng điện, điện áp khi được chiếu lên hai trục tọa độ d và q cũng
là các thành phần một chiều. Từ đó có thể sử dụng các bộ PI để điều khiển từng thành
phần.
UDC
C1

TMS32028377S

0

s*

*
-

-

s

R



2

iPark

usd
-

3

R

𝛼𝛽

usq

isq*
-

1

isd*

dq
4

Ri

𝛼𝛽

isq

dq
10

s 0
9

8

SVM

Park

INV

tu

tv

tw

s

s

isd

us
u s

6

5

is
is

abc
𝛼𝛽

11

Clarke

PWM

Pulseu
Pulsev
Pulsew

7

iu
iv
iw

ADC
A0,A1

12


QEP
Module

13

IE
14

PMSM

15

Hình 2.1 Cấu trúc FOC cho PMSM sử dụng DSP

-

Khối 1: Bộ điều khiển vị trí R , đầu vào là sai lệch của giá trị vị trí đặt * và vị
trí thực  , đầu ra là tốc độ đặt * .

-

Khối 2: Bộ điều khiển tốc độ R , đầu vào là sai lệch của giá trị tốc độ đặt * và
tốc độ thực  , đầu ra là giá trị đặt isq* .

-

Khối 3: Bộ điều khiển dòng điện Ri , khử đan kênh và áp đặt nhanh 2 dòng isd và
isq , biến chúng trở thành 2 đại lượng điều khiển từ thông roto và momen quay.

7


Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng cho động cơ PMSM

-

Khối 4: Khối biến đổi hệ tọa độ iPark, chuyển đổi hệ trục dq   .

-

Khối 5: Bộ điều chế vector không gian SVM.

-

Khối 6: Khối phát xung PWM để cấp tín hiệu điều khiển cho van.

-

Khối 7: Khối nghịch lưu phía động cơ, biến đổi điện áp 1 chiều về dạng xoay
chiều cấp cho động cơ.

-

Khối 8+9: Khối tích phân tốc độ trả về vị trí.

-

Khối 10: Khối biến đổi hệ tọa độ Park, chuyển đổi hệ trục   dq .

-

Khối 11: Khối biến đổi hệ tọa độ Clarke, chuyển đổi hệ trục abc   .

-

Khối 12: Khối đo và chuẩn hóa tín hiệu dịng.

-

Khối 13: Bộ QEP xử lý tín hiệu từ encoder trả về.

-

Khối 14: Increment Encoder.

-

Khối 15: Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu.

2.3 Mơ hình hóa động cơ
Phương trình điện áp stator (trên hệ thống cuộn dây stator):

dψ ss
u  Rs .i 
dt
s
s

s
s

(2.1)

Với Rs : điện trở stator; ψ ss : từ thông stator
Ta chuyển phương trình trên từ hệ thống cuộn dây pha của stator sang hệ tọa độ
tựa từ thông rotor, ta được:

u sf  Rs .i fs 

dψ sf
 js ψ sf
dt

(2.2)

Quan hệ giữa từ thông stator và rotor được mô tả:

ψ sf  Ls i fs  ψ pf

(2.3)

Trong (2.3) ψ pf là vector từ thơng cực. Vì trục d của hệ tọa độ trùng với trục
của từ thông cực, thành phần vng góc (thành phần trục q ) của ψ pf sẽ bằng khơng.
Vậy là, vector từ thơng chỉ có duy nhất thành phần thực. Từ đó:
ψ pf   p
8

(2.4)


Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển và kết quả mơ phỏng cho động cơ PMSM

Phương trình các thành phần từ thông:

 sd  Lsd isd   p

 sq  Lsqisq

(2.5)

Thay hai phương trình (2.3), (2.5)vào (2.2) sẽ thu được:

disd


u

R
i

L
 s Lsq isq
sd
s
sd
sd

dt

u  R i  L disq   L i   
s sq
sq
s sd sd
s p
 sq
dt

(2.6)

Từ phương trình moment tổng quát của máy điện từ trường quay

3
mM  Pc ψ s  i s sign(sin s )
2

(2.7)

3
mM  Pc  sd isq  sqisd 
2

(2.8)

Ta có:

Thay (2.5) vào (2.8) ta thu được phương trình tính moment quay của ĐCĐBKTVC:

3
mM  Pc  pisq  isd isq ( Lsd  Lsq ) 
2

(2.9)

Do khi xây dựng hệ thống điều khiển tựa từ thông rotor, ta sẽ phải điều khiển
vector dòng i s sao cho vector dịng đứng vng góc với từ thơng cực và do đó khơng
có thành phần tạo từ thơng mà chỉ có thành phần tạo moment quay. Vì vậy isd  0 , từ
đây thu được phương trình moment:

3
mM  Pc pisq
2

(2.10)

Chuyển (2.16) sang miền ảnh Laplace, ta được:

usd  Rs .(1  s.Tsd ).isd  s .Lsq .isq

usq  Rs .(1  s.Tsq ).isq  s .Lsd .isd  s . p

9

(2.11)


Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng cho động cơ PMSM

Với Tsd 

L
Lsd
; Tsq  sq
Rs
Rs

2.4 Các khâu chuyển hệ trục tọa độ
2.4.1 Khâu chuyển đổi hệ trục abc  
Sử dụng công thức clarke:

is  iu

iu  2iv

is 

3


(2.12)

Hình 2.2 Khối chuyển hệ tọa độ abc  

2.4.2 Khâu chuyển đội hệ trục   dq
Sử dụng công thức park

isd  is .cos s   is .sin s 

isq  is .sin s   is .cos s 

Hình 2.3 Khối chuyển đội hệ trục   dq

10

(2.13)


Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng cho động cơ PMSM

2.4.3 Khâu chuyển hệ tọa độ dq  
Sử dụng công thức park:

us  usd .cos s   usq .sin s 

us  usd .sin s   usq .cos s 

(2.14)

Hình 2.4 Khâu chuyển hệ tọa độ dq  

2.5 Khâu điều chế vector điện áp

Hình 2.5 Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha

Ta sẽ thu được tổng cộng 8 vector điện áp cố định tương ứng với 8 trạng thái của
mạch nghịch lưu – được gọi là 8 vector biên chuẩn.

11


Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển và kết quả mơ phỏng cho động cơ PMSM

Hình 2.6 Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh 

Vị trí vector điện áp u s có thể nằm bất kỳ trong các sector trên hệ tọa độ tĩnh 
. Các bước thực hiện phương pháp điều chế vector không gian:
Bước 1: Xác định trạng thái (vecto chuẩn) của mạch nghịch lưu
Ta thấy biên độ các vector chuẩn

u

1

, u2 , u3 , u 4 , u 5 , u6

 đều có độ lớn là

2 U và các góc pha lệch nhau một góc  , biên độ của 2 vector khơng cịn lại
3 dc
3

u

0

, u7

 có độ lớn bằng khơng. Từ các cặp vector biên chuẩn này, không gian vector

chia làm 6 sector đều nhau, có độ mở là 

3

.

Nguyên tắc thực hiện điều chế không gian vector: Vector điện áp đặt sẽ được
tổng hợp từ các vector điện áp đã biết của mạch nghịch lưu. Ta sẽ lần lượt thực hiện các
bước sau:
- Tính tốn thời gian thực hiện cả vector chuẩn bao gồm cả thời gian thực hiện
vector không và vector tích cực trong một chu kì điều chế.
- Xác định trình tự thực hiện các vector chuẩn khi vector điện áp đặt nằm trong
các sector khác nhau.
- Xuất ra thời gian đóng cắt cho các nhánh van mạch nghịch lưu.

12