MỤC LỤC

Lời cảm ơn 1
Chương 1 : Tìm hiểu động cơ IPM 2
1.1 Cấu tạo và đặc điểm động cơ IPM 2
1.2 Ứng dụng 6
Chương 2. Phương pháp điều khiển và mô hình hóa động cơ 7
2.1 Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor (FOC) 7
2.2 Mô hình hóa động cơ 10
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển 2 mạch vòng 13
3.1 Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện 13
3.2 Mạch vòng điều khiển tốc độ 16
3.3 Điều khiển tốc độ trên định mức 18
Chương 4: Mô phỏng và kết quả 19
4.1 Mô phỏng hệ điều khiển trong Simulink 19
4.2 Kết quả mô phỏng 21
Tài liệu tham khảo 28



1

Lời cảm ơn
Kính gửi thầy Tạ Cao Minh lời cảm ơn chân thành nhất, cảm ơn thầy đã tận tình
giúp đỡ và tạo điều kiện giúp em và các bạn thực hiện đợt đồ án này.
Chân thành cảm ơn các thầy cô giảng viên của bộ môn Tự Động Hóa nói riêng, các
thầy cô Viện Điện và trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội nói chung đã truyền dạy
cho chúng em những kiến thức quý báu cũng như tạo điều kiện tốt cho sinh viên
nghiên cứu – học tập.

Hà Nội, tháng 12 năm 2014

Nhóm làm đồ án












2

Chương 1 : Tìm hiểu động cơ IPM

1.1 Cấu tạo và đặc điểm động cơ IPM

Động cơ IPM ( Interior Permanent Magnet), còn gọi là động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu cực chìm, thuộc loại động cơ đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu.
Trong đó phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí dưới bề mặt
rotor. Các thanh nam châm thường được làm bằng đất hiếm, là các nam châm có
suất năng lượng cao và giảm tối đa hiệu ứng khử từ. Rotor của động cơ IPM thường
làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ sau đó gia cong phay

rãnh để đặt các thanh nam châm. Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể
đạt được cấu trúc cơ học bền vững hơn, kiểu này thường được sử dụng trong các
động cơ cao tốc. Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường
có dạng hình trống với tỉ số “chiều dài/đường kính” lớn.
Đối với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy không thể được coi là khe hở không
khí đều như động cơ nam châm cực lồi. Trong trường hợp này các thanh nam châm
được lắp bên trong lõi thép rotor về mặt vật lý coi là không có sự thay đổi nào của
bề mặt hình học các nam châm. Mỗi nam châm được bọc bởi một mảng cực thép
nên nó làm mạch từ của máy thay đổi khá mạnh, vì do các mảng cực thép này tạo ra
các đường dẫn sao cho từ thông cắt ngang các cực này và cả trong không gian vuông
góc với từ thông nam châm. Do đó hiệu ứng cực lồi là rõ ràng và nó làm thay đổi cơ
chế sản sinh momen của máy điện.

3


Hình 1.1 So sánh cấu tạo ĐCĐB NCVC cực lồi và cực ẩn

Với yêu cầu chính của các hệ truyền động là vận hành êm ái, do đó cần hạn chế
momen rãnh và momen đập mạch do các sóng hài không gian và thời gian gây ra.
Để đạt được điều này người ta thường tạo hình cho các nam châm, uốn các nam
châm lượn chéo theo trục rotor, uốn rãnh và dây quấn stator kết hợp với tính toán số
răng và kích thước của nam châm. Kỹ thuật tạo ra các rotor xiên là khá đắt tiền và
phức tạp.
Nhờ việc gắn chìm các nam châm trong rotor, dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm
dọc trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo ra khả năng sinh momen từ trở cộng thêm
vào momen vốn có của nam châm. Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng
sinh momen rất cao.

4



Hình 1.2 : Đặc tính momen theo góc lệch giữa 󰀃




và 󰀃







Ngoài ra, động cơ IPM còn có khả năng điều chỉnh tốc độ cao trên định mức bằng
phương pháp giảm từ thông. Khả năng điều khiển giảm từ thông linh động với mọi
loại tải, giảm nguy cơ khử từ của nam châm vĩnh cửu, tang sức đề kháng với các tác
động cơ học và ăn mòn, cộng với khả năng làm việc ở nhiệt độ cao đã khiến động
cơ IPM trở thành hướng nghiên cứu mới tiềm năng cho các nhà khoa học.








5




















Hình 1.3: Một số loại rotor động cơ IPM thường gặp




6

1.2 Ứng dụng

Động cơ IPM được coi là giải pháp mới cho các ứng dụng truyền động hiệu suất
cao và có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho ô tô điện.
Với công nghệ chế tạo nam châm ngày càng tiến bộ, động cơ IPM sẽ dần thay thế

các loại động cơ khác như là một giải pháp tối ưu cho truyền động điện hiệu suất
cao.
Trong tương lai, một đô thị xanh hiện đại với các điểm dừng xe buýt có các bộ sạc
không dây, kết hợp với xe buýt dùng động cơ IPM có hệ thống phanh nối với cơ cấu
thu hồi năng lượng dùng siêu tụ sẽ là viễn cảnh không quá xa vời.















7

Chương 2. Phương pháp điều khiển và mô hình hóa
động cơ

2.1 Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor (FOC)

Điều khiển tựa từ thông rotor là điều khiển các dòng điện stator ở dạng vector. Việc
điều khiển này dựa trên việc chuyển đổi hệ ba pha thay đổi theo tốc độ vào thời gian
thành hệ hai trục d-q cố định theo thời gian. Nó tạo nên hệ điều khiển giống như điều

khiển động cơ điện 1 chiều. Các động cơ điện điều khiển theo phương pháp này cần
2 đại lượng đặt đầu vào cố định: thành phần từ thông (nằm dọc theo trục d) và thành
phần momen (nằm dọc theo trục q). Điều khiển tựa theo từ thông có thể điều khiển
được các đại lượng điện tức thời trong mọi thời điểm (trạng thái ổn định và quá độ).

Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển FOC

Trên sơ đồ này hai dòng điện (

, 

 được đưa vào khối chuyển tọa độ (abc  αβ).
Đầu ra của khối này là 

và 

. Hai thành phần dòng điện này là đầu vào của khối
chuyển hệ tọa độ d-q. Hai thành phần này được đem so sánh với hai thành phần dòng
điện đặt tạo từ thông và momen đặt (

và 

). Đối với động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu, từ thông rotor chính là từ thông cực từ không đổi nên ta đặt 

= 0. Đầu ra

8

của bộ điều chỉnh dòng điện PI là các tín hiệu 


và 

, chúng được đưa vào bộ
chuyển đổi tọa độ ngược (dq – αβ). Đầu ra của bộ này là các thành phần điện áp 


và 

trên hệ tọa độ (αβ), đây là đầu vào khối điều biến độ rộng xung vector không
gian (SVPWM). Đầu ra của khối điều biến này là các tín hiệu xung để điều khiển
các biến tần.

Hình 2.2 Chuyển đổi tọa độ abc-dq
Công thức chuyển hệ tọa độ như sau:


9

Trên hệ tọa độ abc:


=

 Ut)


=

 Ut +



)


=

 Ut +


)
Tương tự 3 dòng điện cũng là hình sin và lệch nhau 

như hình dưới đây:

Hình 2.3 Dòng điện trên hệ tọa độ abc

Khi chuyển sang hệ tọa độ d-q thì dòng điện trở thành dạng một chiều, từ đó ta có
thể điều khiển động cơ một cách dễ dàng tương tự như điều khiển động cơ một chiều.




10

2.2 Mô hình hóa động cơ

Mô hình toán học của đối tượng là các mối quan hệ toán học nhằm mục đích mô tả
lại đối tượng thực tế đó nhưng dưới dạng các biểu thức toàn học để thuận lợi cho
quá trình phân tích, khảo sát và thiết kế. Đối với động cơ, mô tả toán học đóng vai

trò quan trọng vì mọi khảo sát và tính toán bằng lý thuyết đều dựa trên mô hình toán
học.
Ta có các phương trình toán học:
- Phương trình từ thông: 















- Phương trình điện áp:













 






















 




























































󰀃






Đặt 





;






Laplace 2 vế ta có:





















 

















Phương trình momen:
M =















 


Trong đó:

11



Điện cảm stator đo ở vị trí đỉnh cực (vị trí trục d)


Điện cảm stator đo ở vị trí ngang cực (vị trí trục q)


= 

/

Hằng số thời gian trục d của mạch stator



= 

/

Hằng số thời gian trục q của mạch stator
󰀃

Từ thông cực (nam châm vĩnh cửu)
Ta thấy rằng, momen quay của ĐCĐB bao gồm hai thành phần: thành phần chính
với tích 󰀃

.

và thành phần phản kháng do sự chênh lệch điện cảm stator (

-


≠ 0) gây ra. Trong mọi chế độ vận hành, ĐCĐB phải sản sinh một thành phần
momen phụ để bù thành phần phản kháng. Thành phần phản kháng tồn tại một cách
rõ ràng nhưng thường bị bỏ qua không tính đến trong các phương án điều khiển kinh
điển. Việc bỏ qua đó giúp làm đơn giản hóa hệ thống điều chỉnh và trên thực tế có
thể chấp nhận được trong dải tốc độ quay dưới định mức, bởi trong dải đó luôn có


= 0. Ngược lại, ở dải tốc độ quay trên định mức, để tăng tốc độ lên ta phải giảm
từ thông, lúc đó phải bơm một dòng 

âm vào trục d. ĐCĐB lúc này được vận hành
ở chế độ giảm từ thông và dòng 


sẽ có biên độ lớn tăng tỉ lệ thuận với tốc độ quay
rotor. Điều đó dẫn đến thành phần momen phản kháng có khả năng đạt được biên độ
đáng kể không thể bỏ qua.
Ta có mô hình động cơ IPM trên hệ tọa độ dq như hình dưới:

Hình 2.4 Mô hình MĐĐB KTVC trên hệ tọa độ từ thông cực


12


Dùng công cụ mô phỏng Simulink ta vẽ được mô hình:

Hình 2.5 Mô hình mô phỏng MĐĐB KTVC trên Simulink











13

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển 2 mạch vòng


Chọn dải điện áp đưa vào bộ điều khiển là ±10(V), ta có:
Tính chọn bộ cảm biến dòng và tốc độ:
Chọn hằng số thời gian cảm biến dòng là 

= 

= 0.001(s)
Hằng số thời gian cảm biến tốc độ là 

= 0.01(s)
Hệ số khuếch đại của cảm biến tốc độ là 

= 0.04.
Chọn biến tần gián tiếp dùng nghịch lưu cầu 3 pha
Hệ số đập mạch m = 6 => 

=


= 0.00167(s)
Chọn 

=


= 5.

3.1 Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện

Ta sử dụng mô hình động cơ đã xây dựng ở trên và bỏ qua thành phần .󰀃


(coi
như nhiễu). Ta có đối tượng mạch vòng điều khiển dòng điện như sau:

14


Hình 3.1 Đối tượng mạch vòng dòng điện động cơ ĐBNCVC
Đặt: 

=




; 

=




; 

=




; 


=





Với 

, 

tương ứng hàm truyền cảm biến đo dòng điện và bộ nghịch lưu. Từ mô
hình trên ta dễ dàng có hệ phương trình sau:



























Từ đây ta có phương trình tương đương:









 






























 





















 





Với hai đầu vào là 

và 

cùng hai đầu ra là 

, 

ta có ma trận hàm
truyền đối tượng điều khiển dòng là:
 
2
W . .W .W
W.W

.
. .W .W W
1 W .W . . .
sd s sq sd sq
i NL
s
s sd sd sq sq
sd sq s s sq
L
G
L
L d L












15

Sử dụng phương pháp tối ưu module, ta đặt ma trận hàm chuẩn là:
 
22
1

.
1 2. . 2. .
ch
FI
T p T p




Trong đó I là ma trận đơn vị 2x2
Bộ điều khiển sẽ được tính bằng công thức:
   
 
1
1

R ch ch s
G F I F G




Chọn
2. 0,002
si i
T T T

  
nên
2

1T


.
Ta tính được:
 
11 12
21 22
.
1
.(1 )
.
1
.
.
1
4. . .
.(1 )
.
s sq
sd
sd
R
s sd
i NL i
sq
sq
L
L
pT p

RR
G
RR
L
T K K
L
p pT


















Từ đây ta có cấu trúc chi tiết mạch vòng điều chỉnh dòng:

Hình 3.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện

16


Với các thành phần bộ điều khiển như sau:


=













 

=










 






=













 

=















Với bộ điều khiển trên, ta sẽ khử được sự tương tác giữa hai thành phần 

, 


giúp điều khiển chính xác hơn.

3.2 Mạch vòng điều khiển tốc độ

Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi toàn bộ mạch vòng dòng điện là hàm theo
chuẩn tối ưu module và coi thành phần (L
sd
-L
sq
)i
sd
.i
sq
là nhiễu. Ta có sơ đồ mạch
vòng tốc độ:
*
U


22
1/
1 2 2
i
si si
K
T p T p
c
p
pJ
t
M

R


M
1
K
pT



sq
i
3
2
c
p

p

ph
U


Hình 3.3 Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ

Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh tốc độ:
22
3.
1/

1 2 2 2 1
cp
ic
o
si si
p
K p K
S
T p T p Jp T p




  


17


Do hằng số thời gian 

rất nhỏ, nên để thuận tiện cho việc tính toán, ta có thể bỏ
qua giá trị 2


. Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh sẽ là:


=



󰀃





.













Thường 

có giá trị nhỏ, đặt 2

= 2

+ 

, khi đó 

được tính như sau:


=



󰀃





.









Đặt K =



󰀃





=> 

= K.








Hàm truyền kín của mạch vòng tốc độ sẽ là:


(p) =









=











Mạch vòng tốc độ có yêu cầu điều chỉnh vô sai cấp cao, do đó ta áp dụng tiêu chuẩn
tối ưu đối xứng, vậy hàm truyền chuẩn của mạch vòng tốc độ là:


=

















Ta có phương trình cân bằng:










=

















Chọn 2

= 

, giải phương trình trên ta được:


=







=











Như vậy bộ điều chỉnh tốc độ 

là một khâu PI với:


=



=





󰀃






Và 

=





=





󰀃







Chọn bộ tiền xử lý M(s) =



để hạn chế độ quá điều chỉnh lớn.

18

3.3 Điều khiển tốc độ trên định mức

Từ phương trình điện áp



= 

.

+
󰀃


+ 

󰀃


Với 󰀃

= 

.

+ 󰀃


Ở chế độ xác lập:


=





󰀃




Khi đó, muốn tăng tốc độ trên định mức mà vẫn giữ momen không giảm thì ta phải
giảm 󰀃

.
Vậy cách duy nhất là bơm dòng 

âm vào để giảm 󰀃

.
Ta có công thức liên hệ giữa vùng tốc độ tăng và độ lớn dòng 

âm:


=


󰀃



󰀃






Hình 3.4 Vector không gian từ thông và dòng điện động cơ IPM
a) Vùng dưới tốc độ cơ bản b) Vùng trên tốc độ cơ bản

19

Chương 4: Mô phỏng và kết quả

4.1 Mô phỏng hệ điều khiển trong Simulink

Để thuận tiện quan sát và điều chỉnh thông số, ta tạo một m file trong matlab để lưu
các giá trị của bộ điều khiển và tham số động cơ:
%Thong so ban dau cua dong co
n = 1200; p = 2; R = 0.57;
Ld = 8.7*10^-3; J = 0.4*10^-3; Lq = 22.8*10^-3; Phi = 0.108;
Knl = 5; Ki = 1; Ti = 0.001; Kw = 0.00417; Tw = 0.01; Tsw = Tw+2*Ti; %2T's =
Tsw

Tsd = Ld/R; Tsq = Lq/R; Ks = Knl*Ki;

% Tinh toan bo dk dong%
P11 = Ld/(4*Ks*Ti); I11 = Pd/Tsd;
P22 = Lq/(4*Ks*Ti); I22 = Pq/Tsq;
R12 = Pq;%*-ws
R21 = Pd;%*ws

% Bo dk toc do Rw
KP = J*Ki/(3*p*p*Phi*Tsw*Kw);

KI = KP/(4*Tsw);











20

Khối mạch vòng điều khiển dòng iq tách kênh mô phỏng bằng Simulink


Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển mạch vòng idq

Cho khối điều khiển dòng idq cùng mô hình động cơ vào 1 Subsystem, ta có sơ đồ
tổng thể bộ điều khiển gồm mạch vòng tốc độ bên ngoài:

Hình 4.2 Hệ điều khiển động cơ trong Matlab Simulink


21


4.2 Kết quả mô phỏng


1. Tại tốc độ định mức n = 1200(rpm)
Tốc độ đầu vào là hàm bước nhảy với step time = 0.2(s), Initial value = 0, Final
value =1200.
Tải đặt vào động cơ bằng khối Step, tác động lúc t = 1.5(s), độ lớn 2.5(Nm).

Hình 4.3 Đồ thị đáp ứng tốc độ

22


Hình 4.4 Đồ thị đáp ứng dòng 



Hình 4.4 Đồ thị đáp ứng dòng 



23


Hình 4.5 Đồ thị đáp ứng momen

2. Tại tốc độ trên cơ bản
n = 1500(rpm)
Tốc độ đầu vào là hàm bước nhảy với step time = 0.2(s), Initial value = 0, Final value
=1500.
Tải đặt vào động cơ bằng khối Step, tác động lúc t = 1.5(s), độ lớn 1.68 (≈60%đm)
(Nm).


24

Hình 4.6 Đồ thị đáp ứng tốc độ (trên định mức)
Hình 4.7 Đồ thị đáp ứng dòng 

(n = 1500rpm)