Xây dựng mô hình điều khiển hướng trường (FOC) cho động cơ PMSM trong phần mềm Psim

Mục đích của nghiên cứu này là mô hình hóa điều khiển dựa trên PSIM cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được cấp nguồn bởi biến tần, trình bày thuật toán điều khiển được sử dụng cho PMSM là điều khiển hướng trường (FOC).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xây dựng mô hình điều khiển hướng trường (FOC) cho động cơ PMSM trong phần mềm Psim TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Xây dựng mô hình điều khiển hướng trường (FOC) cho động cơ PMSM trong phần mềm Psim Đỗ Chí Thành*, Bùi Thị Thêm Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh *E-mail: dochithanhtdh.qui@gmail.com Tóm tắt: Mục đích của nghiên cứu này là mô hình hóa điều khiển dựa trên PSIM chođộng cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được cấp nguồn bởi biến tần, trình bày thuậttoán điều khiển được sử dụng cho PMSM là điều khiển hướng trường (FOC). Nội dung bàiviết bao gồm: lý thuyết về thuật toán điều khiển và mô hình dựa trên PSIM để phân tích hoạtđộng của phương pháp điều khiển FOC; mô hình cho cơ hội điều chỉnh bộ điều khiển và xácminh nó bằng các mô phỏng. Khi mô phỏng bộ điều khiển với PMSM, tất cả các tốc độ tham chiếu đều đạt được vớiđộ lệch tối đa ± 0’42%. Sử dụng PSIM được chứng minh là một giải pháp thiết kế bộ điềukhiển động cơ trực quan và mang tính học thuật cao. Từ khoá: Động cơ PMSM, mô hình Psim, điều khiển FOC, điều khiển V/f, điều khiểnPMSM dùng FOC.1. GIỚI THIỆU Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motors-PMSM) đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyền động điện trong lực kéo, ngườimáy và ô tô do những tiến bộ và sự giảm giá của vật liệu nam châm vĩnh cửu (permanentmagnet - PM)[1]. Hơn nữa, nó có hiệu quả trong các ứng dụng năng lượng tái tạo như tuabingió[2] và xe chạy bằng pin nhiên liệu[3]. PMSM đang bắt đầu xuất hiện trong Xe điện hoàntoàn (FEV). Hoa Kỳ Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) báo cáo rằng Tesla Model 3 đang sửdụng PMSM thay vì động cơ cảm ứng[4]. Một số lợi thế của những thay đổi như vậy trongFEV bao gồm phạm vi hiệu quả cao hơn, mô-men xoắn cao và công suất trên mỗi khối lượng,thiết kế nhỏ gọn và chi phí bảo trì thấp[5]. Nói chung, công nghệ PM của động cơ tạo ra mô -men xoắn trơn tru, điều này làm cho nó phù hợp trong các ứng dụng hiệu suất cao[6]. Điện tửcông suất đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất của động cơ điện. Những tiến bộ trongthiết bị bán dẫn công suất, cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi, phương pháp mô phỏng và côngnghệ điều khiển đã dẫn đến đáng kể tiến bộ trong lĩnh vực điện tử công suất trong những nămgần đây[7]. Công nghệ điều khiển đóng một vai trò đặc biệt lớn liên quan đến động cơ AC.Điều khiển vectơ hoặc Điều khiển hướng trường (FOC) là một trong những cải tiến thiết yếutrong động cơ AC điều này làm cho nó có thể nâng cao hiệu suất điều khiển[8]. Theo Bose, cácứng dụng như máy công cụ, servo, rô bốt và bộ truyền động vận tải đang sử dụng phươngpháp điều khiển. Phương pháp điều khiển FOC sẽ được phổ cập cho các động cơ điện trongtương lai[7].2. TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (PMSM)2.1. Cấu tạo của động cơ PMSM Hình 1 (a) cho thấy, mặt cắt ngang của PMSM và minh họa rôto, stato, nam châm vĩnhcửu và cuộn dây stato. Nam châm vĩnh cửu và cuộn dây lần lượt nằm trên rotor và stato. Hìnhminh họa trong hình 1 (b) cho thấy một PMSM hai cực. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 141 TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH a) Các thành phần chính b) Các cuộn dây và trục từ tính Hình 1. Hình minh họa PMSM Dựa vào đặc điểm và cấu tạo của rotor, các động cơ đồng bộ (Synchronous Motor –SM) có thể được phân loại như hình 2. Hình 2. Các loại động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha Trong hình 2, động cơ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Motor – PM Motor)được phân thành hai loại theo dạng sóng sức phản điện động. Một loại có đặc điểm là sứcphản điện động hình sin được gọi là PMAC hay PMSM (Permanent Magnet AlternatingCurrent, Permanent Magnet Synchronous Motor), và một loại khác là động cơ một chiềukhông chổi than (Brushless DC motor – BLDC motor). Dạng sóng sức phản điện động cóhình dạng phụ thuộc vào nam châm, sự sắp xếp các rãnh và kiểu quấn dây[12].2.2. Phương pháp điều khiển PMSM Điều khiển V/f và FOC là các kỹ thuật chính được áp dụng để điều khiển tốc độ trongPMSM [13]. Phần này trình bày một giải thích ngắn gọn và thảo luận về hai phương pháp.2.2.1 Điều khiển V/f Hình 3 cho thấy, sơ đồ hệ thống của điều khiển V/f = const. Mục đích chính của kỹthuật này là điều khiển tần số và điện áp của PMSM đồng thời. Tần số đầu vào sẽ điều chỉnhtốc độ. Tuy nhiên, sự thay đổi của tần số dẫn đến sự thay đổi trở kháng, có thể dẫn đến giảmhoặc tăng của dòng điện và làm hỏng PMSM. Điều chỉnh đồng thời hiệu điện thế và tần số đểduy trì một tỷ lệ không đổi tránh được sự tăng hoặc giảm dòng[10,11]. 142 Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần 7, tháng 5/2022 TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Hình 3. Hệ thống điều khiển V/f Tỉ số giữa điện áp và tần số được biểu thị ở (1): V k Constant (1) f Trong đó: V - điện áp đầu vào của PMSM [V]; F - tần số đầu vào của PMSM [Hz]; V k - tỉ số điện áp trên tần số [ ]. Hz2.2.2. Điều khiển theo hướng trường Hình 4. Cấu trúc của hệ thống điều khiển PMSM dùng FOC Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control-FOC)trong điều khiển động cơ PMSM được trình bày trong hình 4. Hình 4 cho thấy, phương phápđiều khiển FOC là một phương pháp điều khiển phức tạp hơn với cơ sở toán học hơn cáchtiếp cận hơn so với điều khiển V/f = const. Bộ điều k ...