1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ QUỐC VƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên - Năm 2019


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ QUỐC VƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG

giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ
thuật công nghiệp Thái Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động
viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh
nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu
sót. Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô
giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày……tháng……năm 2019
Tác giả luận văn

Đỗ Quốc Vương


iii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 3
1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ............................... 3
1.1.1.Các loại PMSM ................................................................................ 4
1.1.2 Động cơ đồng bộ IPM ...................................................................... 9
1.1.3 Một số phương pháp điều khiển PMSM ........................................ 11
1.2 Phương pháp điều khiển vector PMSM ................................................ 13
1.2.1 Công thức chuyển đổi Clarke......................................................... 13
1.2.2 Công thức chuyển đổi Park ............................................................ 15
1.3 Phân tích hoạt động của PMSM ............................................................ 16
1.3.1 Mô hình toán học của PMSM ........................................................ 16
1.3.2 Giới hạn dòng điện và điện áp ....................................................... 17
1.3.3 Các đặc tính của PMSM................................................................. 19
1.3.4 Đặc tính công suất - tốc độ............................................................. 21

4.2.1 Thư viện Firmware ngôn ngữ C viết cho STM32F103ZET6 ........ 60
4.2.2 Tổ chức quản lý và nội dung các file thuộc các lớp dùng chung... 60
4.2.3 Tổ chức và nội dung các file nguồn lớp dẫn xuất (derived classes)68
4.2.4 Thư viện điều khiển động cơ liên quan đến xử lý ngắt.................. 76
4.2.5 Danh mục các lớp thư viện Firmware FOC ................................... 77
4.3. Kết luận chung: .................................................................................... 78
4.4. Kiến nghị: ............................................................................................. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 79


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay động cơ đồng bộ được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển
và trong công nghiệp vì nó có những đặc điểm vượt trội như hiệu suất , cos
cao, tốc độ ít phụ thuộc vào điện áp. Tuy nhiên việc điều khiển động cơ đồng
bộ còn phức tạp do tính phi tuyến mạnh, do vậy làm cho việc ứng dụng động
cơ đồng bộ vào thực tế khó khăn.
2. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
3. Phạm vi nghiên cứu
- Mô hình hóa và mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
- Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển nâng cao cho mạch vòng dòng điện.
- Thiết kế phần cứng và phần mềm nhúng để điều khiển tốc độ động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu theo phương pháp tựa theo từ thông rotor.
4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện thuật toán điều khiển cho động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.

1.3. Phân tích hoạt động của PMSM
1.3.1. Mô hình toán học của PMSM
1.3.2. Giới hạn dòng điện và điện áp
1.3.3. Các đặc tính của PMSM
1.3.4 Đặc tính công suất – tốc độ
1.4. Kết luận chương 1
CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH
CỬU
2.1. Cấu hình điều khiển cho PMSM
2.2. Điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu ba pha
2.2.1 Mô hình hóa mạch nghich lưu nguồn áp 3 pha
2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian
2.3. Thiết kế các bộ điều khiển dòng điện và tốc độ
2.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện bằng kỹ thuật hàm chuẩn bậc hai
2.3.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ theo phương pháp tối ưu đối xứng
2.3.3 Mô phỏng và kết quả
2.4. Kết luận chương 2
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ TOÀN BỘ HỆ THỐNG
3.1. Thiết kế mạch lực


3
3.2. Thiết kế mạch điều khiển
3.3. Xây dựng phần mềm nhúng
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ CHẠY THỰC NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Đối với động cơ xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, thì nam

với tốc độ đúng bằng tốc độ của từ trường quay. Như vậy, từ trường trong
động cơ gồm hai thành phần là từ trường rotor và từ trường stator. Từ trường
stator là do dòng điện stator tạo thành, còn từ trường rotor là do nam châm
vĩnh cửu gắn trên rotor tạo thành.
1.1.1. Các loại PMSM


5
Dựa vào đặc điểm và cấu tạo của rotor, các động cơ đồng bộ
(Synchronous Motor – SM) có thể được phân loại như Hình 1.1.
Động cơ đồng bộ
(Synchronous Motor )

Động cơ đồng bộ
kích từ bằng cuộn dây

Động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu
(PM Motor)

Sức phản điện động
hình sin
(PMAC hay PMSM)

Động cơ từ trở
(Reluctance Motor)

Sức phản điện động
hình thang
(BLDC Motor)

Nếu các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt của rotor như Hình 1.2 (ab), thì nó được gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt (Surface
mounted PMSM-SPMSM). Nếu các nam châm mà được đặt chìm trong lõi
rotor như Hình 1.2 (c),(d), thì chúng được gọi là động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu chìm (Interior PMSM-IPMSM). Trong Hình 1.2 (b), các nam châm
vĩnh cửu được đặt vào rãnh của bề mặt rotor, được gọi là động cơ nam châm
ghép bề mặt (inset magnet motor). Đối với động cơ nam châm ghép bề mặt,
mặc dù nam châm ở trên bề mặt, nhưng từ trở có đặc điểm gần giống với
IPMSM, đặc biệt là điện cảm trục q lớn hơn so với điện cảm trục d. Với bố trí
từ thông tập trung như Hình 1.2 (d) thì mật độ từ thông khe hở không khí có thể
được tăng lên lớn hơn so với ở bề mặt của nam châm vĩnh cửu.
So sánh giữa PMSM và động cơ BLDC chỉ ra rằng PMSM có thể điều
chỉnh tốc độ và vị trí chính xác hơn so với động cơ BLDC. Hơn nữa, PMSM
không tạo ra mômen nhấp nhô giống như động cơ BLDC. Nhưng giá trị sử
dụng của các động cơ BLDC là ở điểm điều khiển đơn giản và giá thành cạnh
tranh. Động cơ BLDC thường có giá thành thấp và công suất nhỏ (nhỏ hơn
5kW), và được ứng dụng trong máy quạt gió, dụng cụ cầm tay, các ứng dụng
gia dụng… So sánh giữa BLDC và PMSM được liệt kê trong Bảng 1.1.


7

: Nam châm vĩnh cửu

: Thép rotor

: Không có nam châm vĩnh cửu

Hình 1.2: Mặt cắt một số dạng rotor tiêu biểu của động cơ đồng bộ: (a) nam




Resolver (giá thành

thành rẻ)

đắt)

Tập trung (tốn ít

Phân tán (tốn nhiều

đồng)

đồng)

Sử dụng nam châm vĩnh cửu

Lớn

Tương đối nhỏ

Tổn thất do dòng điện xoay

Lớn

Tương đối nhỏ

Độ phức tạp trong điều khiển

Đơn giản

9
nhau về số lượng pha quấn trên stator và chúng là một con số nhất định dựa
vào sự tổ hợp phù hợp giữa số cực của stator và số cực rotor. Ví dụ như SRM
2 pha 4/2 (stator 4 cực, rotor 2 cực), và SRM 3 pha 6/4 (stator 6 cực, rotor 4
cực). Nhờ cấu tạo đặc biệt này, đối với SRM, ngoài điều khiển dòng điện,
điện áp còn có thể điều khiển góc quay của rotor. về nguyên lý hoạt động, khi
kích thích bằng liên tiếp các xung dòng điện ở mỗi pha của stator SRM, thì
rotor của động cơ có xu hướng đuổi theo hướng từ trở nhỏ nhất, từ đó tạo
chuyển động quay cho trục động cơ.
1.1.2 Động cơ đồng bộ IPM
Về cấu tạo, stator của động cơ IPM bao gồm các cuộn dây được bố trí
tương tự như ở các động cơ xoay chiều ba pha khác. Còn rotor của động cơ
có cấu tạo khá đặc biệt và đa dạng, bao gồm lõi thép và các tấm nam châm
vĩnh cửu đặt chìm trong lõi thép, tùy vào số đôi cực của động cơ mà có số cặp
nam châm tương ứng. Hình 1.2 (c-e) là những cách bố trí nam châm thường
thấy trong IPMSM.
Sự bố trí các cặp nam châm bên trong lõi thép và cấu tạo lõi thép khiến
cho từ thông của rotor chỉ hướng theo một trục nhất định, ta gọi trục đó là
trục sinh từ thông d, trục còn lại không sinh từ thông gọi là trục q, được mô tả
trên Hình 1.3. Với cách bộ trí nam châm như trên dẫn đến từ thông khe hở
không khí không đều. Do đó, điện cảm trên hai trục cũng khác nhau. Cụ thể
là điện cảm ngang trục Lq của IPMSM lớn hơn điện cảm dọc trục Ld (Lq >
Ld), và tỷ số ξ = Lq / Ld được gọi là hệ số nhấp nhô. Mức độ sai lệch giữa hai
thành phần điện cảm này lớn hay nhỏ tùy thuộc vào cấu tạo của động cơ. Nhờ
đặc điểm này đã dẫn đến một số ưu điểm trong điều khiển động cơ IPM.


10

Hình 1.3: Các đường sức từ của nam châm vĩnh cửu IPMS

IPMSM

Vị trí nam châm

Bề mặt

Chìm

Định vị nam châm

Dán keo, dùng dải

Đặt chìm trong

băng

rotor

Lớn

Nhỏ

Sử dụng nam châm

Lớn

Tương đối nhỏ

Hệ số nhấp nhô


tần số, như điều khiển vô hướng U / f, điều khiển vector tựa từ thông rotor
(Field Oriented Control - FOC), điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque
Control - DTC).
Phương pháp điều khiển vô hướng U / f là phương pháp điều khiển đơn
giản và dễ thực hiện nhất. Ý tưởng của phương pháp là thay đổi tần số để
thay đổi tốc độ đồng bộ, từ đó thay đổi tốc độ động cơ. Tuy nhiên, nếu điện
áp cấp cho động cơ được giữ không đổi và giảm tần số sẽ kéo theo việc gia
tăng từ thông trong khe hở không khí, khi đó dễ dẫn đến bão hòa mạch từ,
dòng từ hóa tăng, méo dạng sóng dòng và áp cung cấp cho động cơ dẫn đến
tổn hao đồng trên stator sẽ tăng. Để tránh tình trạng này, người ta thường


12
giảm điện áp đi đôi với giảm tần số sao cho từ thông khe hở không khí được
giữ nguyên không đổi. Trong các ứng dụng công nghiệp, phương pháp này
được phân làm hai loại: 1) điều khiển U / f sao cho từ thông là hàm của
mômen tải; và 2) điều khiển U / f sao cho từ thông luôn luôn không đổi ở toàn
dải điều chỉnh. Mặc dù có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện nhưng phương
pháp này có nhược điểm là ổn định tốc độ ở vùng tốc độ thấp gặp khó khăn,
do vậy thường được dùng trong các ứng dụng không yêu cầu điều chỉnh sâu
tốc độ.
Còn phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) ra đời dựa
trên việc áp dụng các phép biến đổi tuyến tính không gian vector. Tinh thần
của phương pháp là dùng các công cụ biến đổi vector để ước lượng đại lượng
từ thông rotor r và điều chỉnh nó. Ưu điểm của phương pháp này là có thể
ổn định tốc độ ở vùng cận không, cho họ đặc tính cơ của động cơ không đồng
bộ giống với đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở vùng
từ thông không đổi. Phương pháp này sẽ được trình bày rõ hơn ở mục 1.2
trong luận văn này.
Phương pháp thứ ba là phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC)

thức chuyển đổi tuyến tính trong không gian vector do Clarke và Park đề
xuất. Khi ta thành công trong việc điều khiển vector dòng điện stator đảm bảo
nhanh, chính xác và không tương tác (điều khiển tách kênh, đảm bảo cách ly
giữa hai quá trình: từ hóa động cơ và tạo mômen quay), thì ta có thể thiết kế
các bộ điều khiển vòng ngoài giống như đối với động cơ điện DC.
1.2.1 Công thức chuyển đổi Clarke
Công thức chuyển đổi Clarke cho phép biểu diễn vector dòng điện
stator is gồm ba thành phần xoay chiều ia,ib,ic trong hệ tọa độ stato r cố định ab-c thành một vector gồm hai thành phần xoay chiều iα, iβ trong hệ tọa độ
Descartes, hay còn gọi là hệ tọa độ trực giao đứng yên α-β , trong đó trục α


14
trùng với trục dây quấn pha a của động cơ. Ta thấy rằng, hai dòng điện iα, iβ
là hai dòng điện xoay chiều hình sin.

Hình 1.4: Vector dòng điện stator trên hai hệ tọa độ cố định stator và α-β.
Biểu diễn hình học của công thức chuyển đổi được minh họa trên Hình 1.4.
Công thức chuyển đổi Clarke được mô tả theo phương trình dưới đây:

(1.2)
Trong đó: ia , ib , ic là các dòng điện trên hệ tọa độ stator; và iα, iβ là các
dòng điện trên hệ tọa độ α-β.
Bằng cách tương tự như đối với vector dòng điện stator, các vector điện
áp stator, từ thông stator… đều có thể được biểu diễn bởi các phần tử thuộc
hệ tọa độ trực giao đứng yên α-β.
Dựa vào Hình 1.4, ta cũng có công thức chuyển đổi Clarke ngược từ hệ
tọa độ α-β sang hệ tọa độ stator cố định a-b-c:


15

hệ tọa độ α-β:
(1.5)

Như vậy thông qua hai phép biến đổi Clarke và Park, ta có thể đưa
vector dòng điện gồm ba thành phần trong hệ tọa độ cố định ia,ib,ic thành
vector dòng điện trong hệ tọa độ quay d-q chỉ gồm hai thành phần một chiều
id , iq. Tuy nhiên, để giống với nguyên lý điều khiển của động cơ điện một
chiều, ta phải chọn hệ tọa độ d-q sao cho dòng điện id là thành phần sinh từ
thông và dòng điện iq là thành phần sinh mômen. Để làm được điều đó, ta
gán trục d của hệ tọa độ d-q trùng với hướng từ thông của rotor, khi đó trục q
sẽ hướng theo chiều không sinh từ thông và hệ trục tọa độ d-q sẽ quay với tốc
độ góc đồng bộ với tốc độ góc của từ thông rotor. Phương pháp điều khiển
như vậy gọi là điều khiển vector tựa theo từ thông rotor (FOC).
Đối với PMSM, tốc độ góc của từ thông rotor cũng chính là tốc độ góc
của trục rotor ω=ω và góc pha giữa trục chuẩn α(trục của hệ tọa độ α-β) với
trục của từ thông rotor ψ trục d của hệ tọa độ d-q) chính bằng góc cơ
θs=θr. Như vậy, đối với PMSM, ta có thể sử dụng trực tiếp góc cơ công thức
(1.4) và (1.5).
1.3 Phân tích hoạt động của PMSM
1.3.1 Mô hình toán học của PMSM
Trong hệ tọa độ d-q quay đồng bộ với vận tốc điện, quan hệ điện áp và


17
dòng điện được biểu diễn như sau:
=

.

(1.6)

Giả sử J là mômen quán tính của rotor, Tc là mômen cản, và bỏ qua ma
sát thì ta có phương trình cơ học sau:
Te –Tc = J

(1.8)

trong đó O)r là tốc độ quay của rotor, được tính theo công thức sau:
r

=

(1.9)

Giới hạn từ thông rotor của PMSM có thể được phản ánh qua điện cảm
dọc trục Ld và dòng điện kích thích tương đương của nam châm vĩnh cửu
(nguồn dòng ảo) i f . Khi đó, có thể xem:
m

= Ldif.

(1.10)

1.3.2 Giới hạn dòng điện và điện áp
Gọi Ismax là biên độ dòng điện lớn nhất của PMSM. Lúc đó, giới hạn
dòng điện của động cơ được biểu diễn như một đường tròn (Hình 1.6) có
phương trình như sau:
+

(1.11)


e

tăng. Ràng buộc điện áp (1.14) có thể được viết gọn

lại dưới dạng:
e

trong đó :

Usmax

(1.15)

là từ thông khe hở không khí.

1.3.3 Các đặc tính của PMSM
Các đặc tính của PMSM theo tốc độ được biểu diễn trên Hình 1.7.

Hình 1.7: Các đặc tính của PMSM ở dải tốc độ quay định mức và vùng giảm từ thông.
Để khai thác công sức tối đa của động cơ, điện áp và dòng điện lớn
nhất sẽ được sử dụng. Do đó, khi làm việc ở công suất cực đại, các điểm làm
việc cần phải được xác định tại giao điểm của các đường giới hạn điện áp và
dòng điện. Chú ý rằng, đường tròn giới hạn dòng điện không phụ thuộc vào
tốc độ, trong khi ellipse giới hạn điện áp thì có lại khi tốc độ tăng. Bởi vậy,
các điểm làm việc di chuyển dọc theo vòng tròn bên trái (điểm A - điểm C