Điều khiển động cơ BLDC bằng phương pháp giả vector PVC
1. Tóm tắt:
Ta tiến hành mô phỏng và làm thực nghiệm với thuật toán “Điều khiển giả vector” (Pseudo
Vector Control - PVC) để truyền động cho động cơ BLDC. Phương pháp này được đề xuất sau
nghiên cứu của Phó Giáo sư - Tiến sĩ Tạ Cao Minh và Giáo sư Shuji Endo tại đại học Gunma
(Nhật Bản). Phát minh này sẽ giúp giảm sự đập mạch momen thường thấy ở động cơ BLDC, mở
rộng dải điều chỉnh tốc độ và giúp động cơ hoạt động chính xác, êm ái, giảm hẳn tiếng ồn. Thuật
toán PVC rất phù hơp khi áp dụng cho hệ thống trợ lái của xe ô tô do cấu trúc nhỏ gọn cũng như
các ưu điểm trên, thay thế cho hệ thống cũ sử dụng cơ cấu thủy lực.
2. Cơ sở lý thuyết:
2.1. Giới thiệu về động cơ BLDC:
Động cơ BLDC có sức phản điện động hình thang và dòng điện có dạng hình chữ nhật như
trong hình 1. Động cơ BLDC có nhiều ưu điểm: hiệu suất cao hơn hẳn so với các động cơ khác
có cùng kích thước, ít khi phải bảo trì và cũng ít gây tiếng ồn hơn so với các loại động cơ một
chiều có chổi than. Tuy nhiên, do dạng của sức phản điện động và dòng điện, động cơ BLDC có
hai nhược điểm chính là: nhấp nhô mômen và khó điều khiển ở vùng tốc độ cao. Tuy nhiên, sau
khi nghiên cứu, mô phỏng và thực nghiệm thuật toán PVC vào điều khiển động cơ BLDC, ta thấy
đã khắc phục được cả hai nhược điểm trên.
120
0
ω
t
0
e, i
E
I
Hình 1. Dạng sức phản điện động và dòng điện của động cơ BLDC
2.2. Điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp truyền thống:
Để điều khiển động cơ BLDC, phải sử dụng phương pháp điều khiển dòng điện pha truyền
thống như hình 2 với bộ điều khiển dòng điện R
i

ω
m2
e
f
T
2
1
Hình 3. Điểm làm việc của động cơ BLDC
Thuật toán PWM được sử dụng để điều khiển điện áp cấp vào cho động cơ BLDC. Làm việc
ở tốc độ cơ bản, từng cặp van công suất sẽ dẫn trong khoảng dẫn 120
o
mỗi nửa chu kỳ. Do đó
điện áp cấp vào đạt giá trị định mức. Đây là giá trị điện áp cấp vào cực đại cho động cơ BLDC.
Công thức điện áp cho từng pha của động cơ:
Vì điện áp cấp vào bị giới hạn, nếu dòng điện động cơ lớn đủ để thỏa mãn mômen tải (ví dụ
T2), sức phản điện động không thể tăng tới giá trị cao hơn. Sức phản điện động tỷ lệ với tốc độ
động cơ, do đó tốc độ động cơ không thể tăng (
2m
ω
<
1m
ω
) như thể hiện ở điểm e trên hình 3.
Tương tự, nếu chúng ta muốn động cơ làm việc ở vùng tốc độ cao hơn (ví dụ
1m
ω
), mômen đầu
ra của động cơ không thể tăng như yêu cầu (T
2
< T

Ta sẽ không ước lượng dòng điện đặt cho ba pha theo dòng điện I
m
* và góc θ như phương
pháp truyền thống mà sẽ ước lượng dựa vào biểu thức tính mômen của động cơ:
Ý tưởng sẽ là: coi T*; E
a
; E
b
; E
c
đã biết trước và từ đó đưa ra i
a
*; i
b
*; i
c
*. Tuy nhiên, ta chỉ có
phương trình (2) với 3 ẩn số. Để giải ta sẽ làm đơn giản phương trình này đi bằng cách chuyển
sang hệ tọa độ d-q. Khi đó, biểu thức tính mômen sẽ có dạng:
Như vậy, các dòng điện đặt i
a
*; i
b
*; i
c
* sẽ được tính toán thông qua các giá trị dòng điện đặt
i
d
*; i
q

= L.I
d
và làm giảm Ψ
f
như trên giản đồ trên.
Theo đề xuất của hai tác giả, ta sử dụng công thức ước lượng sau để tính toán I
d
*:
Khi đó, ta sẽ lại ước lượng được dòng điện sinh mômen I
q
* dựa vào biểu thức (3)
Từ các công thức trên, ta thấy cần phải có các giá trị sức phản điện động E
d
và E
q
. Chúng sẽ
được xác định dựa vào sức phản điện động các pha E
a
, E
b
, E
c
và góc điện θ
e
của động cơ theo
phép biến đổi Park như sau:
Như vậy, để thực hiện thuật toán PVC khi điều khiển động cơ BLDC, có hai nhiệm vụ rất
quan trọng cần thực hiện là đo offline các giá trị sức phản điện động các pha E
a
, E

q
* nhưng lại không điều khiển nó vì bản chất động cơ BLDC có sức điện động hình thang
nên không thể điều khiển theo hệ tọa độ d-q. Ta bắt buộc phải quy đổi trở lại các giá trị dòng
điện pha để điều khiển cho nên nó mới có tên gọi là điều khiển “giả” vector.
4. Kết quả mô phỏng máy tính:
Cả hai hệ truyền động BLDC trong hình 2 (truyền thống) và hình 4 (PVC) được mô phỏng
thử nghiệm bằng Matlab/Simulink. Mô phỏng thực hiện với hai trường hợp: tốc độ đặt
*
m
ω
=
1000 vòng/phút (dưới tốc độ cơ bản) với mômen tải sau 0,3s bằng với mômen định mức M
đm
=
0,343 Nm và tốc độ đặt
*
m
ω
= 1800 vòng/phút (trên tốc độ cơ bản) với mômen tải sau 0,3s là 0,2
Nm (cần giảm tải vì tăng tốc độ vượt quá tốc độ cơ bản). Ngoài ra, chúng ta cũng xem xét đến
việc sử dụng thuật toán PVC để điều khiển truyền động cho động cơ BLDC ở những vùng tốc độ
cao hơn nữa với tốc độ đặt là
*
m
ω
= 2000 vòng/phút.
a) Thông số động cơ sử dụng để mô phỏng và làm thực nghiệm:
• Biên độ của điện áp cấp vào: V
d
= 36 V

6
Stator current Is
a
Time (s)
Stator current Is
a
(A)Ia ref
Ia
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Stator current Is
a
Time (s)
Stator current Is
a
(A)Ia ref
Ia


Electromagnetic torque
Electromagnetic torque ref
-0 .0 3 -0 .0 2 -0 .0 1 0 0 .0 1 0 .0 2 0 .0 3
-0 .0 3
-0 .0 2
-0 .0 1
0
0 .0 1
0 .0 2
0 .0 3
F lux tra je c to ry
flux a lp ha
flu x b e ta
b) Vùng dưới tốc độ cơ bản ω
đặt
= 1000 (vòng/phút) < ω
cơ bản
= 1500 (vòng/phút):

a. Phương
pháp HCC
b. Phương pháp PVC
Hình 8. Kết quả đặc tính dòng điện
pha a,
momen,
tốc độ
và quỹ đạo từ thông
c) Vùng trên tốc độ cơ bản ω
đặt

0
200
400
600
800
1000
1200
Time (s)
Rotor speed (rpm)
Rotor speed
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Stator current Is
a
Time (s)
Stator current Is
a
(A)Ia ref
Ia

400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Rotor speed
Time (s)
Rotor speed (rmp)speed ref
speed
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Stator current Is
a
Time (s)
Stator current Is

1600
1800
2000
Rotor speed
Time (s)
Rotor speed (rmp)speed ref
speed
0 0.0.5 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Electromagnetic torque
Time (s)
Electromagnetic torque (Nm)Electromagnetic torque
Electromagnetic torque ref
a. Phương pháp HCC b. Phương pháp PVC
Hình 9. Kết quả đặc tính dòng điện pha a, momen, tốc độ và quỹ đạo từ thông
d) Vùng tốc độ rất cao ω
đặt

1.2
Electromagnetic torque
Time (s)
Electromagnetic torque (Nm)Electromagnetic torque
Electromagnetic torque ref
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
Rotor speed
Time (s)
Rotor speed (rmp)
0.4 0.405 0.41 0.415 0.42 0.425 0.43 0.435 0.44 0.445 0.45
0.38
0.4
0.42
0.44
0.46
0.48
0.5
Electromagnetic torque
Time (s)
Electromagnetic torque (Nm)

họat động ổn định hơn và bớt tiếng ồn.
a. Phương pháp HCC
b. Phương pháp PVC
0.4 0.405 0.41 0.415 0.42 0.425 0.43 0.435 0.44 0.445 0.45
0.36
0.38
0.4
0.42
0.44
0.46
0.48
0.5
0.52
0.54
Nhap nho do
chuyen mach dong dien
Nhap nho do PWM
Hình 11. Nhấp nhô mômen (torque ripple)
− Tuy nhiên, thuật toán vẫn còn một vấn đề cần khắc phục. Đó là do công thức ước lượng
dòng điện I
d
* âm chưa tuyệt đối, mà chỉ là công thức kinh nghiệm. Nên tại vùng tốc độ
cao hơn, dòng điện stator sẽ bị pick lên như trong hình 10.Điều này cũng khiến cho giá trị
dòng điện và mômen không bám theo lượng đặt mong muốn.
5. Kết quả khi triển khai mạch thực:
6. Kết luận: