<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

<b>LUẬN VĂN</b>

<b>NHẬN DẠNG THAM SỐ VÀ </b>

<b> ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT NƠRON THÍCH NGHI MƠ HÌNH PMSM </b>

<b>IDENTIFICATION AND ADAPTIVE NEURAL SLIDING MODECONTROL OF PMSM</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số ……… ngày ………. của Hiệu trưởng Trường Đại học Bách khoa TP.HCM.

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

CHÍ MINH

<b>KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬBỘ MÔN: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG</b>

<b> ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT NƠRON THÍCH NGHI MƠ HÌNH PMSM </b>

<b>Đánh giá Luận văn</b>

1. Về cuốn báo cáo:

Số bảng số liệu _________ Số hình vẽ _________ Số tài liệu tham khảo _________ Sản phẩm _________ Một số nhận xét về hình thức cuốn báo cáo:

-2. Về nội dung luận văn:

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

CHÍ MINH

<b>KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬBỘ MƠN: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG</b>

<b> ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT NƠRON THÍCH NGHI MƠ HÌNH PMSM </b>

<b>Đánh giá Luận văn</b>

5. Về cuốn báo cáo:

Số bảng số liệu _________ Số hình vẽ _________ Số tài liệu tham khảo _________ Sản phẩm _________ Một số nhận xét về hình thức cuốn báo cáo:

-6. Về nội dung luận văn:

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Trong suốt thời gian hai năm học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Bách Khoa -ĐHQG cho đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của q Thầy Cơ và bạn bè. Với lịng biết ơn sâu sắc và chân thành nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Điện – Điện Tử– Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường.

Em xin chân thành cảm ơn PGS- TS Hồ Phạm Huy Ánh đã tận tâm hướng dẫn chúng em qua từng buổi học trên lớp cũng như những buổi nói chuyện, thảo luận về lĩnh vực sáng tạo trong nghiên cứu khoa học.

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến ban lãnh đạo của Trường Đại học Bách Khoa -ĐHQG và các Khoa Phòng ban chức năng đã trực tiếp và gián tiếp giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài này.

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một học viên, bài báo cáo này khơng thể tránh được những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các q thầy cơ để em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này.

Em xin chân thành cảm ơn!

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Mục Lục

<b>Các thuật ngữ được sử dụng trong Luận Văn...7</b>

1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI...8

1.1 Giới thiệu...8

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài...8

1.3 Kế hoạch thực hiện luận văn...9

1.4 Các phần công việc thực hiện trong luận văn...9

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT...10

2.1 Giới thiệu về động cơ PMSM...10

2.2 Điều khiển động cơ đồng bộ ba pha trong miền ba pha...12

2.3 Điều khiển động cơ đồng bộ ba pha trong miền dq0...15

2.4 Điều khiển tựa từ thơng động cơ PMSM (FOC)...19

2.5 Chương trình mô phỏng động cơ PMSM dùng bộ điều khiển PID...21

2.6 Chương trình mơ phỏng động cơ PMSM dùng bộ điều khiển trượt nơron thích nghi. 25 2.6.1 Thiết kế bộ điều khiển trượt...25

2.6.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt thích nghi...26

4.1 Khởi tạo khối PWM...47

4.2 Khởi tạo khối cảm biến dòng...48

4.3 Khởi tạo khối đọc Encoder...51

4.4 Khối truyền nhận IPC giao tiếp giữa hai CPU...54

4.5 Sơ đồ chương trình...54

4.5.1 Chương trình điều khiển động cơ (PID) khơng dùng ngắt PWM...54

4.5.2 Chương trình điều khiển động cơ (PID) dùng ngắt PWM...56

4.5.3 Chương trình điều khiển trượt nơ ron thích nghi...57

5 MƠ PHỎNG...58 1

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

5.1 Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ PMSM bằng PID...58

5.2 Kết quả mô phỏng nhận dạng và điều khiển trượt nơron thích nghi động cơ

6.2 Kết quả điều khiển động cơ bằng bộ điều khiển PID...77

6.3 Kết quả điều khiển động cơ bằng bộ điều khiển trượt nơ ron thích nghi...78

6.3.1 Thí nghiệm khơng tải...78

6.3.2 Thí nghiệm có tải...80

6.3.3 Thí nghiệm giá trị đặt dạng sine...82

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO...84

8 PHỤ LỤC...85

8.1 Cài đặt khối PWM...85

8.2 Cài đặt khối Encoder...87

8.3 Sơ đồ thiết kế các khối chức năng của Driver...88

8.3.1 Schematic...88

8.3.2 Layout...90

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Hình ảnh

Hình 2-1 Động cơ động cơ ba pha hai cặp cực...11

Hình 2-2 : Động cơ PMSM P50-B-07-030-D-X-S...11

Hình 2-3 : Khối mơ phỏng chuyển đổi tín hiệu trong miền dq0 sang miền abc...16

Hình 2-4 : Kết quả mơ phỏng khối Scope ở Hình 2.3...17

Hình 2-5 Sơ đồ điều khiển tựa từ thơng (FOC) động cơ PMSM...20

Hình 2-6 Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ PMSM...20

Hình 2-7 : Sơ đồ điều khiển động cơ bằng PID dựa trên phương pháp FOC...21

Hình 2-8: Chương trình mơ phỏng điều khiển động cơ PMSM bằng giải thuật FOC....22

Hình 2-9: Mơ hình đối tượng là động cơ PMSM...22

Hình 2-10: Khối mơ phỏng động cơ PMSM...23

Hình 2-11 : Khối Control Block...24

Hình 2-12 Sơ đồ tổng quát điều khiển động cơ đồng bộ bằng bộ điều khiển trượt nơ ron thích nghi... 25

Hình 2-13 Vị trí tâm hàm cơ sở của mạng RBF...28

Hình 2-14 Tổng quan chương trình điều khiển động cơ PMSM bằng bộ điều khiển trượt nơ ron thích nghi...30

Hình 2-15 Chi tiết khối PMSM được điều khiển dựa trên phương pháp tựa từ thơng.. .30

Hình 2-16 Cấu trúc bộ điều khiển trượt nơ ron thích nghi...31

Hình 2-17 Khối tính tốn sai số bám và hàm v(t) – cơng thức (2-9)...31

Hình 2-18 Cơng thức (2-11) và (2-21) tính u<small>si</small> và u<small>ce</small>...31

Hình 2-19 Chi tiết khối IAC – điều khiển trượt nơ ron thích nghi...32

Hình 3-1 Cấu trúc phần cứng để chuyển đổi chương trình mơ phỏng thành chương trình nhúng... 33

Hình 3-2 : Sơ đồ các khối chức năng chính của DRIVER...33

Hình 3-3 : Hình ảnh vi xử lý C2000 – F28379D của hãng TI...34

Hình 3-4 : Sơ đồ của khối vi xử lý...36

Hình 3-5 : IC UCC21520 được sử dụng để kích IGBT được dùng trong bản thiết kế DRIVER ...37

Hình 3-6 : Các chân chức năng chính của IC UCC21520 được sử dụng để kích IGBT. 38 Hình 3-7 : Sơ đồ mạch Bootstrap được ứng dụng trong thiết kế DRIVER này...40

Hình 3-8 : Sơ đồ lắp đặt cảm biến AMC1301 - DataSheet của AMC1301...42

Hình 3-9 : Đặc tuyến đầu ra – đầu vào của AMC1301...43

Hình 3-10 : Tín hiệu qua IC SN65...46

Hình 3-11 : Schematic khối xử lý Encoder ở thực nghiệm 2...46

Hình 4-1 Giao diện cài đặt gói liên kết...47

Hình 4-2 Các khối Simulink lập trình C2000 được tích hợp trên Matlab...47

Hình 4-3: Xung PWM với bộ đếm có dạng hàm dốc...48

Hình 4-4: Xung PWM với bộ đếm có dạng hàm tam giác...48

Hình 4-5 Khối ADC xử lý tín hiều trả về từ cảm biến dịng điện...49

Hình 4-6 : Khối xử lý tín hiệu trả về từ cảm biến dịng AMC1301...50

Hình 4-7 Chương trình khối Encoder...52 3

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Hình 4-8 Khối tính tốn giá trị theta từ encoder...52

Hình 4-9 Tính vận tốc động cơ khi quay ở tốc độ thấp...53

Hình 4-10 Tính vận tốc động cơ khi ở vận tốc cao...53

Hình 4-11: Lưu đồ điều khiển tốc độ động cơ khơng dùng ngắt ADC...54

Hình 4-12 Tổng quan chương trình nhúng điều khiển động cơ PMSM bằng C2000 và Matlab... 55

Hình 4-13: Lưu đồ điều khiển tốc độ động cơ bằng PID...56

Hình 4-14 Chương trình điều khiển động cơ bằng PID với FOC thực hiện trong ngắt PWM...56

Hình 4-15: Lưu đồ hoạt động của vi điều khiển – ASMC...57

Hình 4-16 Chương trình điều khiển động cơ bằng AMSC với FOC thực hiện trong ngắt PWM...57

Hình 5-1 Kết quả khảo sát mô phỏng PID thay đổi thông số P1, P2...59

Hình 5-2 Kết quả khảo sát mơ phỏng PID thay đổi thơng số P3...60

Hình 5-3 Khảo sát đáp ứng hệ thống ảnh hưởng bởi thông số ^Q ¹, ^Q ¹...61

Hình 5-4 khảo sát đáp ứng hê thống ảnh hưởng bởi thơng số ^{b x} ...62

Hình 5-5 khảo sát đáp ứng hê thống ảnh hưởng bởi thông số <small>a</small> x , <small>b</small> x ...63

Hình 5-6 Kết quả điều chỉnh thơng số ^{b x} ^0.1...64

Hình 5-7 Kết quả điều chỉnh thơng số ^{b x}các trường hợp cịn lại...65

Hình 6-1 Hình ảnh mơ hình thực nghiệm...67

Hình 6-2 Xung PWM từ chân vi điều khiển C2000...68

Hình 6-3 Xung PWM 15V đo tại đầu ra của IC kích UCC21520...68

Hình 6-4 Điện áp đầu ra ở nửa cầu H pha A...68

Hình 6-5 Dead Time của xung PWM được thiết đặt là 1 micro giây...69

Hình 6-6 Xung PWM tại mỗi pha sau khi được thêm mạch Snubber...69

Hình 6-7 Kết quả điện áp tại hai đầu điện trở Shunt...69

Hình 6-8 Giá trị dịng điện thu thập được bằng ADC từ cảm biến dòng với tốc độ lấy mẫu <small>10 s4</small> ... 70

Hình 6-9 Giá trị dòng điện thu thập được bằng ADC từ cảm biến dòng với tốc độ lấy mẫu <small>10 s4</small> và áp dụng bộ lọc thông dải (10-500Hz) sau khi đọc giá trị cảm biến...70 Hình 6-10 Giá trị dịng điện thu thập được bằng ADC từ cảm biến dòng với tốc độ lấy

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Hình 6-16 Chương trình xử lý tín hiệu encoder...74

Hình 6-17 Nội dung khối tính tốn góc rotor từ tín hiệu encoder...75

Hình 6-18 Kết quả xử lý tín hiệu encoder trước và sau khối Switch...75

Hình 6-19 Khối tính tốn tốc độ động cơ bằng encoder...75

Hình 6-20 Kết quả tốc độ động cơ tính được từ encoder với thời gian lấy mẫu 1e-4....76

Hình 6-21 Kết quả tốc độ động cơ tính được từ encoder thời gian lấy mẫu 1e-3...76

Hình 6-22 Kết quả tốc độ động cơ tính được từ encoder thời gian lấy mẫu 1e-2...76

Hình 6-23 Đáp ứng tốc độ động cơ điều khiển bằng bộ PID và tốc độ lấy mẫu Encoder là 1e-4s...77

Hình 6-24 Đáp ứng tốc độ động cơ điều khiển bằng bộ PID với giá trị đặt là dạng sine ... 78

Hình 6-25 Đáp ứng tốc độ động cơ trong trường hợp khơng tải...79

Hình 6-26 Đáp ứng tốc độ động cơ khi loại bỏ khối đạo hàm giá trị đặt...80

Hình 6-27 Đáp ứng tốc độ động cơ khi có tải tác động đột ngột từ 28s-47s...81

Hình 6-28 Đáp ứng tốc độ động cơ khi có tải tác động đột ngột từ 25s-28s...82

Hình 6-29 Đáp ứng tốc độ động cơ giá trị đặt dạng sine khi có tải tác động đột ngột. .83 Hình 6-30 Đáp ứng tốc độ động cơ giá trị đặt dạng sine khi có tải tác động đột ngột. .83 Hình 8-1: Cài đặt tab General ePWM...85

Hình 8-2: Cài đặt tab ePWM – chọn dạng bộ đếm...85

Hình 8-3: Cài đặt tab Counter Compare...86

Hình 8-4: Cài đặt tab Event Trigger – Chọn thời điểm thực hiện ngắt ADC...86

Hình 8-5 Cài đặt tab General eQEP...87

Hình 8-6 Cài đặt tab Position Counter...87

Hình 8-7 Cài đặt tab Speed Calculation...88

Hình 8-8 : Khối Đóng ngắt cách ly (UCC21520), Khối mạch Bootstrap và Khối IGBT ... 89

Hình 8-9 : Khối cảm biến dịng AMC1301...90

Hình 8-10 Layout Board Driver...90

Hình 8-11 Bản 3D Board Driver...91

Hình 8-12 Board lọc nhiễu Encoder...91

Hình 8-13 Bản 3D board lọc nhiễu encoder...92

Hình 8-14 Layout Board AC-DC...93

Hình 8-15 Bản 3D Board biến đổi AC-DC...94

Bảng Bảng 2-1: Cách đọc mã hiệu của động cơ PMSM...11

Bảng 2-2 : Chức năng và màu dây Encoder của động cơ P50B07...12

Bảng 3-1 : Các chân chức năng được sử dụng để điều khiển DRIVER...35

Bảng 3-2 : Các chân chức năng cơ của IC UCC21520...38

Bảng 3-3 : Giá trị linh kiện được chọn trong bản thiết kế...40

Bảng 3-4 : Các dây tín hiệu trả về từ Encoder...45

Bảng 4-1 Các phương án tính tốc độ động cơ...51

Bảng 5-1 Bảng khảo sát mô phỏng PID thay đổi thông số P1, P2:...58

5

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Bảng 5-2 Bảng khảo sát mô phỏng PID thay đổi thông số P3:...59

Bảng 5-3 Bảng khảo sát đáp ứng hệ thống ảnh hưởng bởi thông số ^Q ¹, ^Q ¹:...60

Bảng 5-4 Bảng khảo sát đáp ứng hê thống ảnh hưởng bởi thông số ^{b x} :...61

Bảng 5-5 Bảng khảo sát đáp ứng hê thống ảnh hưởng bởi thông số <small>a</small> x , <small>b</small> x _:...62

Bảng 5-6 Bảng điều chỉnh thông số ^{b x} để tìm bộ thơng số cho đáp ứng tốt nhất trong

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<b>Các thuật ngữ được sử dụng trong Luận Văn</b>

PMSM : Permanent Magnet Synchronous Motor FOC : Field Oriented Control

CNC : Computer Numerical Control

WFSM : Wound Field Synchronous Machine Driver : Mạch lái động cơ

MCU : Micro Controller Unit Half-Bridge : Mạch nửa cầu H

High-TGBT/Low-IGBT : Vị trí IGBT trong mạch nửa cầu H SPWM : Sine Pulse Width Modulation

UART : Universal Asynchronous Receiver Transmitter QEP : Quadrature Encoder Pulse

High-Voltage : Điện áp cao

MIPS : Mega Instructions per second

CPU : Central Processing Unit

CLA : Control Law Accelerator FPU : Floating Point Unit TMU : Trigonometric Math Unit CLB : Configurable Logic Block EMIF : The External Memory Interface

7

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI</b>

<b>1.1 Giới thiệu</b>

Vào năm 1980, động cơ đồng bộ ba pha (PMSM) ra đời và được phát triển với những đặc điểm nổi bật như cấu trúc đơn giản, gọn nhẹ, hệ số công suất cao, độ chính xác cao. Với những ưu điểm trên. PMSM dần thay thế động cơ DC và động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực xe điện. Để có thể khai thác hết điểm mạnh của động cơ PMSM cần phải thiết kế bộ điều khiển phù hợp vì PMSM là một hệ thống có tác động chéo cao, phụ thuộc vào biến thời gian. Cho đến thời điểm hiện tại có hai phương pháp chính để điều khiển động cơ PMSM đó là điều khiển vecto (FOC) và điều khiển lực trực tiếp (DTC) [1]. Trong đó, phương pháp điều khiển DTC điều khiển trực tiếp trạng tái đóng ngắt của IGBT. Và phương pháp FOC yêu cầu phải điều khiển dòng điện. Ngày nay, động cơ PMSM đã được ứng dụng thành công trong lĩnh vực xe điện. Yêu cầu cũng như là thách thức trong thiết kế bộ điều khiển PMSM là xử lý cấu trúc hệ thống phức tạp cùng với tác động từ môi trường. Các nghiên cứu gần đây đang cố gắng ứng dụng các bộ điều khiển dựa trên hai phương pháp FOC. Một số nghiên cứu áp dụng bộ điều khiển cổ điển là PID để điều khiển tốc độ động cơ. Nhưng do PMSM là mơ hình phi tuyến và tác động chéo giữa các thược tính cao nên mơ hình sẽ thay đổi khi có tải hoặc tác động từ mơi trường trong qua trình vận hành. Trong khi đó bộ PID với thông số cố định chỉ phù hợp với một trường hợp điều khiển nhất đinh, nên các nghiên cứu sử dụng bộ PID tự chỉnh nhằm giải quyết khó khăn trên [2-5]. Ngồi ra, cịn có một số nghiên cứu ứng dụng các bộ điều khiển như bộ điều khiển trượt [6,7], fuzzy thích nghi [8] và ứng dụng mạng nơ ron trong điều khiển [9-10]. Luận văn ứng dụng Matlab/Simulink để lập trình vi xử lý C2000 điều khiển động cơ PMSM dựa trên giải thuật FOC. Để có thể lập trình vi xử lý C2000 trực tiếp từ Matlab/Simulink ta cần phải cài đặt các phần mềm quan trọng và thiết đặt phần cứng phù hợp cho việc lấy tín hiệu hồi tiếp và xuất tín hiệu điều khiển. Về phần lập trình nhúng, chương trình mơ phỏng sẽ được chuyển đổi thành chương trình nhúng cho vi xử lý ngay trên Matlab/Simulink với một vài bước thay đổi chương trình mơ phỏng bằng các khối ngoại vi của C2000 được cài đặt trong Matlab/Simulink.

<b>1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài</b>

- Thiết kế Schematic và Layout Driver lái động cơ PMSM điều khiển động cơ đồng bộ

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

<b>1.3 Kế hoạch thực hiện luận văn </b>

01/06/2021 ^{Trình bày báo cáo luận văn.}

<b>1.4 Các phần công việc thực hiện trong luận văn.</b>

- Ứng dụng giải thuật FOC để điều khiển vận tốc động cơ đồng bộ 3 pha (PMSM). (Mục 3-5)

- Thiết kế bộ điều khiển trượt. (Mục 2)

- Thiết kế bộ điều khiển trượt nơron thích nghi có nhận dạng tham số online. (Mục 3) - Thiết kế phần cứng bao gồm Schematic và Layout Driver lái động cơ PMSM điều khiển động cơ đồng bộ 3 pha. (Mục 3)

- Lập trình thực nghiệm (Mục 6)

- So sánh và đánh giá chất lượng điều khiển của các bộ điều khiển đã khảo sát. (Mục 6)

9

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

<b>2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.</b>

<b>2.1 Giới thiệu về động cơ PMSM</b>

Động cơ PMSM có nhiều ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơng nghiệp

(Ví dụ: Được dùng trong hệ thống CNC trong các nhà máy yêu cầu độ chính xác cao) Động cơ PMSM có cấu trúc rotor là nam châm vĩnh cửu nên so với các loại động cơ sử dụng cuộn dây kích từ thì có khối lượng nhẹ hơn, momen qn tính thấp. Hơn nữa vì khơng cần năng lượng để từ hóa động cơ và tổn thất đồng ở rotor nên động cơ PMSM có hiệu suất cao hơn động cơ không đồng bộ (Induction Motor - IM) và động cơ đồng bộ kích từ bằng cuộn dây (Wound Field Synchronous Machine - WFSM).

Phương thức hoạt động của động cơ PMSM là khi có nguồn ba pha cấp vào các cuộn dây stator thì động cơ sẽ quay với tốc độ:

Với f là tần số của dòng điện xoay chiều được cấp vào cuộn dây stator, còn p là số cặp cực của động cơ. Từ trường được tạo ra bởi các cuộn dây stator và dòng điện 3 pha cấp vào sẽ tương tác với từ trường được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu ở rotor tạo ra momen kéo rotor quay.

Máy điện đồng bộ là máy điện quay có tốc độ rotor bằng tốc độ của từ trường quay. Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay không đổi khi tải thay đổi. Nên việc điều khiển được động cơ PMSM là một nhu cầu thiết yếu.

Động cơ đồng bộ 3 pha được cấu thành từ 2 bộ phận chính đó là Stator và Rotor. Với Stator là các cuộn dây được quấn cố định, khi ta cấp điện áp ở đầu vào thì Stator sẽ xuất hiện các cặp cực từ xen kẽ nhau.

Còn Rotor là các khối nam châm vĩnh cửu gắn xung quanh trục Rotor của động cơ. Và

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Hình 2-1 Động cơ động cơ ba pha hai cặp cực

Hình 2-2 : Động cơ PMSM P50-B-07-030-D-X-S

Loại động cơ được dùng trong bài báo cáo này là Động cơ PMSM do Sanyo Denki sản xuất

11

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

S Incremental Encoder

Động cơ PMSM được tích hợp hệ thống Encoder đê đo lường vị trí và vận tốc của trục Rotor. Loại Encoder này thuộc loại Optical Incremental Encoder (INC-E) . Đầu ra của Encoder có tổng cộng là 8 dây gồm 2 dây nguồn và 6 dây tín hiệu.

Bảng 2-2 : Chức năng và màu dây Encoder của động cơ P50B07

<b>2.2Điều khiển động cơ đồng bộ ba pha trong miền ba pha.</b>

Thông thường, động cơ đồng bộ ba pha có thể quay được khi chúng ta cấp vào ba mức điện áp hình sin lệch nhau 120 độ vào ba pha động cơ. Lúc này, từ trường sẽ được tạo ra nhờ vào các cuộn dây ở Stator nhằm hút các cực từ của Rotor.

Công thức điện áp cấp vào ba pha của động cơ có dạng:

Với: -A là biên độ điện áp của sóng sine so với GND. -w là vận tốc góc (rad/s)

Với cơng thức 3 cấp điện áp như trên thì các đại lượng thay đổi được là A, w và t (thời gian) nhưng thực tế ta chỉ có thể điều khiển được 2 đại lượng là Biên độ sóng sine và vận tốc góc của điện áp cấp vào động cơ vì vậy khi điều khiển trong miền abc thì có

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

trục Rotor quay theo. Tuy nhiên, không phải lúc nào Rotor cũng quay theo kịp từ trường của Stator vì ta khơng biết phải đặt biên độ sóng sine là bao nhiêu mới đủ để từ trường Stator kéo được trục của Rotor.Khi đó, từ trường Stator cứ quay liên tục khơng quan tâm là Rotor có bám theo kịp hay khơng. Đây cũng chính là nhược điểm rất lớn của phương pháp điều khiển này. Để khắc phục được nhược điểm này, ta sử dụng phương pháp điều khiển nhằm khảo sát được với mỗi giá trị vận tốc góc nhất định thì giá trị biên độ điện áp sóng sine cần cấp là bao nhiêu để có thể tạo ra độ lớn từ trường của Stator đủ mạnh để kéo trục Rotor quay theo. Thông thường tỉ lệ là một hằng số cố định tùy vào mỗi loại động cơ. Với mỗi tải khác nhau ta có một hằng số tương ứng với giá trị tải đó.

Một số hiện tượng thường gặp khi điều khiển động cơ đồng bộ 3 pha trong miền abc đó là:

<b>*Giả sử tại tốc độ ta cần cấp sóng sine với biên độ là .</b>

Giá trị biên độ sóng sine Hiện tượng xảy ra

-Trục Rotor quay 1 đoạn ngắn rồi quay ngược (khi gần giá trị )

sẽ nóng và phát ra tiếng ồn.

<b>Giải thích hiện tượng:</b>

TH1: nhỏ hơn

Lúc này điện áp cấp vào Stator không sinh ra đủ lực từ tác động lên Rotor để kéo đi dẫn tới hiện tượng trục Rotor khơng quay. Cịn khi gá trị biên độ gần đủ thì từ trường Stator kéo Rotor được một đoạn ngắn nhưng từ trường quay quá nhanh làm trục rotor không theo kịp nên khi từ trường Stator quay ngược về sau Rotor tạo ra hiện tượng kéo ngược. Hiện tượng này cứ lặp đi lặp lại theo chu kì quay của từ trường Stator.

TH2: lớn hơn

Trong trường hợp này biên độ điện áp cấp vào Stator quá dư thừa dẫn đến năng lượng dư không được sử dụng nhằm mục đích kéo Rotor sẽ phát sinh nhiệt trên các cuộn dây gây nóng động cơ. Mặt khác lực hút từ trường tạo ra quá lớn nên khi từ trường Stator

13

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

chuyển sang góc mới thì kéo mạnh trục Rotor gây vọt lố vào dao động quanh điểm từ trường mới gây ra hiện tượng rung lắc động cơ.

Lúc này ta tự đặt câu hỏi liệu có phương pháp nào có thể quan sát và điều khiển được giá trị biên độ điện áp theo giá trị vận tốc góc hay khơng?

Câu hỏi này khó có thể có được đáp án chính xác vì khi ta điều khiển trong miền abc nghĩa là ta chỉ chỉ quan sát và tác động lên từ trường của Stator trong khi không biết được trạng thái hiện tại của Rotor như thế nào nên rất khó để điều khiển vịng kín khi chỉ điều khiển trong miền abc. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đi trước đã tìm ra miền tọa độ mới là miền dq0. Miền tọa độ này đơn giản là miền quy chiếu từ hệ Stator sang Rotor để thuận tiện trong việc quan sát trạng thái của Rotor và điều khiển từ trường Stator.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<b>2.3Điều khiển động cơ đồng bộ ba pha trong miền dq0.</b>

Mặc dù đã có phương pháp điều khiển xử lý được những hạn chế của động cơ ba pha đồng bộ khi điều khiển trong miền abc nhưng hiệu quả mang lại quá kém so với tổng năng lượng đã sử dụng để điều khiển. Ngoài ra, phương pháp điều khiển yêu cầu quá khắt khe về loại động cơ sử dụng và tải vì mỗi tỉ lệ chỉ có thể điều khiển được một loại động cơ với một lượng tải cố định. Khi thay đổi một trong hai yếu tố trên thì hệ số vừa khảo sát khơng cịn ý nghĩa nữa.

Điều khiển động cơ trong miền :

Khi đã hiểu được phương thức hoạt động của động cơ đồng bộ 3 pha trong miền ta sẽ tìm cách khắc phục các nhược điểm tiêu biểu của nó như là Rotor khơng bám kịp tốc độ quay của từ trường Stator, nóng động cơ … tất cả những nhược điểm này đều xuất nguồn từ ngun nhân chính là chúng ta khơng điều khiển được từ trường trên Stator mà cứ để nó quay liên tục theo vận tốc góc . Và vấn đề này được khắc phục khi ta điều khiển động cơ đồng bộ 3 pha trong miền .

Khi điều khiển trong miền tọa độ này ta dễ dàng quan sát vị trí hiện tại của Rotor và có thể điều chỉnh từ trường Stator phù hợp với trạng thái hiện tại của Rotor nhằm đạt được mục đích điều khiển như ý muốn. Khơng những thế, ta cịn có thể điều khiển được Độ lớn lực từ của Stator. Để điều khiển động cơ trong miền ta dùng phương pháp .

15

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

<b>Cách quy đổi từ miền sang miền .</b>

<small>Hình 2-3 : Khối mơ phỏng chuyển đổi tín hiệu trong miền dq0 sang miền abc.</small> Ta dùng khối trong

Chức năng chính của khối này là tính tốn giá trị 3 pha lệch nhau 120 độ dựa vào tín hiệu và được cấp vào ở đầu vào (<b>Hình 2.3</b>). Ngõ vào và ngõ ra của khối chức năng trong chế độ được thể hiện thơng qua biểu thức sau:

Ví dụ:

Khi ta cấp đầu vào là thì giá trị ngõ ra lần lượt là:

<b>Kết quả được thể hiện ở Hình 2.4.</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

<small>Hình 2-4 : Kết quả mơ phỏng khối Scope ở Hình 2.3</small>

Vì vậy khi thực hiện việc điều khiển trong miền ta cần cấp ba giá trị đầu vào là : : Giá trị này đặc trưng cho đại lượng Lực kéo từ trường tác động vào Rotor.

: Giá trị này đặc trưng cho tốc độ động cơ.

<small>e</small> : Góc điện hiện tại của động cơ. Điều khiển động cơ trong miền với góc <small>e</small> đã đọc về :

Sau khi xử lý tín hiều Encoder trả về ta biết được vị trí chính xác của Rotor nên việc cần làm bây giờ là phải điều khiển từ trường Stator như thế nào để đạt được vận tốc đặt. Trong một chu kì xử lý thì chúng ta có đầu vào là một bộ số , từ bộ số liệu này ta tính được vector tổng hợp lực từ của Stator từ đó chuyển đổi thành miền để tạo ra từ trường ở vị trí mong muốn. Cho tới chu kì xử lý tiếp theo ta lại có vị trí mới của Rotor và tiếp tục xuất ra từ trường Stator tương ứng.

Với cách điều khiển này ta hoàn toàn điều khiển được từ trường Stator dựa trên vị trí Rotor, khắc phục hoàn toàn nguyên nhân gây ra các nhược điểm khi điều khiển trong miền .

17

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Trong trường hợp tải quá lớn làm cho trục Rotor bị giữ lại thì từ trường Stator khơng quay liên tục và mất kiểm sốt mà nó vẫn được tạo ra theo ý muốn của chúng ta và lệch một góc nhất định so với Rotor. Mặc dù, giải quyết được vấn đề khơng kiểm sốt được

<b>vị trí từ trường Stator nhưng vẫn khơng đủ kéo tải thì ta bắt đầu điều khiển tiếp Độ lớntừ trường bằng cách quan sát và điều khiển giá trị và đặc trưng cho Torque và Vị trí</b>

từ trường Stator của động cơ đồng bộ 3 pha.

<b>Giá trị d là giá trị đặc trưng cho lực hút từ trường stator tác động vào rotor củađộng cơ:</b>

Vì như định nghĩa hệ , thì trục d đồng trục với trục Rotor nên vector lực từ trên trục đại diện cho lực hút nam châm đồng trục với Rotor.Lực này đóng vai trị giữ Rotor để có thể bám theo từ trường Stator. Tưởng tượng một cách trừu tượng dễ hiểu thì giá trị d trong miền chính là lực hút của cực từ tạo bởi Stator có vị trí giống với các cực của Rotor tác động lên Rotor.

<b>Giá trị q là giá trị đặc trưng cho vận tốc động cơ:</b>

Trong khi trục d đồng trục với trục Rotor thì trục vng góc với trục . Giá trị này có vai trị là điều khiển vị trí từ trường Stator. Hai vector và sẽ tạo thành vector từ trường tổng của Stator và lệch một góc so với trục Rotor. Khi giá trị càng lớn thì góc lệch giữa từ trường Stator và trục Rotor càng lớn nên lực đẩy theo phương ngang lên trục Rotor tăng lên làm tăng vận tốc động cơ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

<b>2.4 Điều khiển tựa từ thông động cơ PMSM (FOC)</b>

Vào năm 1968 và đầu những năm 1970, kỹ sư Darmstadt's K. Hasse và Siemens' F. Blaschke là những người đầu tiên điều chế vector không gian cho đông cơ xoay chiều. Hasse nghiên cứu về điều chế vector khơng gian trực tiếp, Cịn Blaschke nghiên cứu về điều chế vector không gian gián tiếp. Kỹ sư Braunschweig's Werner Leonhard đã phát triển thêm kỹ thuật FOC and là một công cụ mở ra cơ hội cho bộ điều khiển xoay chiều cạnh tranh dần thế bộ điều khiển một chiều [11-12]

Tuy nhiên nó chưa được cơng bố cho đến khi các bộ vi xử lý được phát triển rộng rãi vào đầu những năm 1980. Các bộ điều khiển xoay chiều đã được áp dụng vào thực tế nhờ những bộ vi xử lý này. Những bộ vi xử ký đã giải quyết khó khăn khi dùng phương pháp FOC cho các ứng dụng điều khiển động cơ xoay chiều như chi phí cao, phải sử dụng rất nhiều linh kiện điện tử và cảm biến, bộ điều khiển phức tạp, khó bảo trì hơn so với bộ điều khiển một chiều. [13]

Giải thuật FOC được ứng dụng để điều khiển động cơ đồng bộ ba pha trong miền dq0. FOC tách biệt vecto dòng điện thành hai thành phần gồm i đại diện cho thành phần từ<small>d</small>

trường và i đại diện cho thành phần lực. Nguyên lý điều khiển FOC là đảm bảo thành<small>q</small>

phần i<small>d</small> ⁰_{. Khi đó quan hệ giữa}i và lực điện sinh ra là mối quan hệ tuyến tính. Vì<small>q</small>

vậy, động cơ điều khiển bởi phương pháp FOC cho hiệu suất cao do toàn bộ năng lượng điện ở stator đều được dùng để tạo ra lực điện.

19

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

<small>Hình 2-5 Sơ đồ điều khiển tựa từ thơng (FOC) động cơ PMSM</small>

<small>Hình 2-6 Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ PMSM</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

<b>2.5 Chương trình mơ phỏng động cơ PMSM dùng bộ điều khiển PID.</b>

<small>Hình 2-7 : Sơ đồ điều khiển động cơ bằng PID dựa trên phương pháp FOC </small>

Những nhân tố quan trọng cần có khi điều khiển FOC là chúng ta phải đọc được dòng điện mà động cơ tiêu thụ và đọc được chính xác vị trí hiện tại của trục Rotor động cơ. Lý do chúng ta cần phải đọc dịng điện động cơ tiêu thụ là nhằm mục đích tính ra sai số so với giá trị đặt. Từ đó, ta dùng bộ PID để tính ra giá trị điều khiển động cơ đưa sai số về 0. Tương tự như tầng điều khiển 1, ở tầng điều khiển thứ 2 là ta sẽ xử lý tín hiệu Encoder thành vận tốc góc hiện tại của động cơ nhằm mục đích điều khiển sai số vận tốc góc động cơ so với giá trị đặt và đầu ra của bộ PI ở tầng điều khiển thứ 2 chính là giá trị của trục q.

Lý do ta chọn bộ PI để điều khiển vì đối tượng điều khơng có khâu tích phân lý tưởng. Một đối tượng điều khiển khơng có khâu tích phân lý tưởng khi mà cấp một giá trị đầu vào hằng số thì giá trị đầu ra cũng là một giá trị hằng số.

21

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

Hình 2-8: Chương trình mơ phỏng điều khiển động cơ PMSM bằng giải thuật FOC

Hình 2-9: Mơ hình đối tượng là động cơ PMSM

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

Các khối chức năng được sử dụng trong hệ mô phỏng động cơ:

Hình 2-10: Khối mơ phỏng động cơ PMSM

Cơng thức ( 2 -1)-( 2 -5) là mơ hình tốn của khối Simulink PMSM:

Dòng điện theo miền dq0 Điện áp theo miền dq0 Vận tốc góc của Rotor

Biên độ của từ thông tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu của Rotor trên Stator

Lực điện của động cơ.

Quán tính tổng hợp của Rotor và tải Lực ma sát tổng hợp của Rotor và tải

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

Các thông số cần thiết trả về từ động cơ để tính sai số so với giá trị đặt Dịng điện qua pha A Dòng điện qua pha B Vận tốc góc Rotor Lực kéo của động cơ Góc đi n c a đ ng c ệ ủ ộ ơ

Từ dịng điện ta tính được dịng để tính ngược lại dịng điện . Lấy 2 giá trị dịng điện tính được trong miền dq0 trừ cho tín hiệu đặt để lấy sai số đưa vào khối PI để điều khiển.

Góc Theta được dùng để đưa vào các khối biến đổi miền từ dq0 sang abc hoặc ngược lại từ abc sang dq0.

Vận tốc góc đọc về được nhân với hệ số là để biến đổi thứ nguyên từ thành . Và tín hiệu sau khi biến đổi được so sánh với giá trị đặt vận tốc. Sau đó sai số vận tốc sẽ được đưa vào bộ điều khiển PI với đầu ra là giá trị mong muốn của dòng điện .

Hình 2-11 : Khối Control Block

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

<b>2.6 Chương trình mơ phỏng động cơ PMSM dùng bộ điều khiển trượt nơronthích nghi.</b>

<small>Hình 2-12 Sơ đồ tổng qt điều khiển động cơ đồng bộ bằng bộ điều khiển trượt nơ ron thích nghi.</small>

<b>2.6.1 Thiết kế bộ điều khiển trượt</b>

Xét hệ thống phi tuyến biểu diễn bởi phương trình vi phân:

Cần xác định tín hiệu điều khiển u sao cho tín hiệu ra y bám theo tín hiệu đặt r. Mặt trượt: định nghĩa tín hiệu sai lệch.

e r y

Và hàm S e^{(n 1)} k e_n<small>2</small>^{(n 2 )} ... k e k e<small>10</small>

25

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

Trong đó a a<small>0</small>, ,...,<small>1</small> a<small>(n 3)</small>,a<small>(n 2 )</small> là các hệ số được chọn trước sao cho đa thức đặc trưng của phương trình vi phân Hurwitz có tất cả nghiệm với phần thực âm.

Để thỏa Lyapunov, chọn u sao cho: ^S ^{Ksign S} ⁽^K ⁰⁾ Khi đó luật điều khiển được xác định bởi:

,ta viết lại luật điều khiển trượt.

( )

<b>2.6.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt thích nghi</b>

Ta có phương trình vi phân mơ tả động cơ PMSM quy về Rotor:

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

Từ phương trình ( 2 -8), ta tiến hành thiết kế bộ điều khiển trượt nơ ron thích nghi để điều khiển tốc độ động cơ PMSM.

Đặt x<small>1m</small>; u i<small>q</small> ,ta có phương trình biến trạng thái:

Ta có sơ đồ điều khiển trượt nơ ron thích nghi nhận dạng các hàm a x b x và tính ^ˆ ^;^ˆ luật điều khiển như sau:

Trong công thức ( 2 -10) a x b x là mạng nơ ron RBF. Sử dụng mạng RBF với 3 ^ˆ ^;^ˆ hàm cơ sở ở lớp ẩn để xấp xỉ a x b x nhằm tính luật điều khiển trượt.^ˆ ^; ^ˆ

Trong đó vector thơng số <small>a</small> và <small>b</small>là trọng số các tế bào thần kinh. Các thông số <small>a</small> và

<small>b</small>được cập nhật trực tuyến nhằm tiến tới giá trị tối ưu <small>aa</small>^* , <small>b</small> ^*<small>b</small> sao cho

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

Trong đó hàm cơ sở được định nghĩa là

Sau khi cập nhật thơng số trực tuyến thì sai số giữa mơ hình nhận dạng được và mơ hình thực nghiệm vẫn tồn tại, ta viết lại mơ hình đúng của hệ thống như sau:

<small>a aab bb</small>

Với <small>a</small> x _và _b x_{là sai số cấu trúc so với mơ hình đúng. Lúc này, sai số của mơ hình} nhận dạng được so với mơ hình đúng là:

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

Chọn thành phần điều khiển chế độ trượt sao cho đạo hàm của hàm Lyapunov âm khi sai số cấu trúc nằm trong giới hạn được đặt trước:

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

Trong đó <small>a</small> x^, <small>b</small> x _{là giới hạn trên của sai số thơng số,}b x

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

<small>Hình 2-16 Cấu trúc bộ điều khiển trượt nơ ron thích nghi</small>

<small>Hình 2-17 Khối tính tốn sai số bám và hàm v(t) – cơng thức ( 2 -9)</small>

<small>Hình 2-18 Cơng thức ( 2 -10) và ( 2 -21) tính </small>u<small>si</small>_vàu_ce

31

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

<small>Hình 2-19 Chi tiết khối IAC – điều khiển trượt nơ ron thích nghi.</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

<b>3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG</b>

<small>Hình 3-20 Cấu trúc phần cứng để chuyển đổi chương trình mơ phỏng thành chương trình nhúng</small>

Và để có thể tạo ra ba cấp điện áp như đã đề cập trong Chương 2, ta cần phải thiết kế được ba nửa cầu H (Half H-Brigde).

Sơ đồ khối và hình ảnh thực tế của hệ thống điều khiển động cơ PMSM.

Bản thiết kế này sử dụng hệ vi xử lý C2000 và IC UCC21520 của hãng Texas Instrument.

33

</div>