Bài toán điều khiển một hệ chuyển động năm 2024
Lòng tri ân sâu sắc nhất của tôi xin được dành cho thầy Tạ Cao Minh. Không chỉ là người hướng dẫn luận văn này, thầy còn là người đã dìu dắt tôi suốt từ những năm cuối của bậc đại học cho đến nay. Mọi thứ mà tôi đã đạt được trên con đường học tập và nghiên cứu đều có sự chỉ bảo và dạy dỗ của thầy. Luận văn này được thực hiện như một phần công việc trong Đề tài khoa học cấp Nhà nước “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ truyền động và điều khiển cho ô tô điện”, mã số KC/11-15, thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ (CTI), ĐH Bách Khoa Hà Nội. Xin trân trọng cảm ơn Đề tài. Tôi xin cảm ơn các anh chị và các bạn cộng sự. Xin cảm ơn anh Trần Bình Dương và anh Nguyễn Văn Đại là những người đã thiết kế và chế tạo phần cứng cho bộ inverter và các bộ phận liên quan. Xin cảm ơn anh Võ Duy Thành và bạn Trần Thị Minh Trang đã giải mã các tín hiệu điều khiển trung tâm của xe ô tô điện iMiEV. Xin cảm ơn anh Bùi Đăng Quang và bạn Đào Triệu Phi Trường với những công tác hành chính, hậu cần kỹ thuật, thiết kế và gia công cơ khí trong Đề tài. Xin cảm ơn anh Vũ Ngọc Minh về những trao đổi và tư vấn chuyên môn hữu ích. Nếu không có các anh và các bạn, chắc chắn tôi không thể hoàn thành công việc của mình. Xin cảm ơn chị Nguyễn Thu Hà; nhờ có chị, cuộc sống và công việc của tôi ở CTI đã trở nên đầy màu sắc và nhiều thú vị. Tôi xin cảm ơn các bạn cựu sinh viên làm việc tại CTI đã góp sức cùng tôi thực hiện một số nhánh công việc của Đề tài, và qua đó là việc hoàn thành luận văn này. Cảm ơn các bạn Nguyễn Xuân Thưởng, Đỗ Văn Hân, và Phạm Ngọc Quang. Đặc biệt cảm ơn bạn Nguyễn Dũng về sự hỗ trợ mạnh mẽ của bạn. Nếu không có các bạn, tôi sẽ gặp khó khăn hơn rất nhiều và khó đạt được kết quả như hiện nay. Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp – Viện Điện và Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa (ICEA) thuộc ĐH Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ chúng tôi một số thiết bị thí nghiệm. Xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Bộ môn Tự động hóa và ICEA. Tôi xin cảm ơn các lãnh đạo, cán bộ và nhân viên Phòng Thí nghiệm Động cơ Đốt trong (Viện Cơ khí Động lực, ĐH Bách Khoa Hà Nội) đã nhiệt tình hỗ trợ chúng tôi trong công việc thử nghiệm xe. Tôi xin cảm ơn các anh chị và các bạn trong Nhóm Tải Tài liệu Khoa học (SciLoader) và Nhóm CGB đã cho tôi thấy một tinh thần tương trợ tuyệt vời và có được những người bạn lý thú. Trường hè Khoa học luôn có một vị trí đặc biệt trong tôi, đó là nơi tôi cảm thấy như được quay về với đúng “bộ lạc” của mình, nói thứ ngôn ngữ mà mình thân quen. Xin cảm ơn các anh chị và các bạn Trường hè những năm vừa qua. Show ii Lời cảm ơn Tôi không thể nêu tên ở đây tất cả những người mà mình cần nói lời cảm ơn. Những người đàn anh đi trước và những người bạn tài giỏi luôn là tấm gương để tôi cố gắng. Những người bạn đã chia sẻ cùng tôi tình cảm, sở thích, và những mối quan tâm chung. Có những người luôn ở bên cạnh nhưng không cần ở tôi một lời cảm ơn nào, đó là gia đình của tôi. Dường như có quá nhiều lời cảm ơn cho một thành quả rất nhỏ bé. Điều đó nói lên rằng với khả năng còn rất hạn chế, tôi sẽ chẳng làm được gì nếu chỉ có một mình. Phần Lời cảm ơn này vắng bóng các học hàm và học vị, bởi vì đây là nơi dành cho những tình cảm cá nhân; ở đó, chúng hoàn toàn không cần thiết. iii Mục lục Danh sách hình vẽ
Danh sách bảng3 Thông số ô tô điện iMiEV sử dụng cho mô phỏng.............. 39 4 (Thực nghiệm) Dữ liệu đo sức phản điện động trên hai cực (điện áp dây line-to-line voltage) của động cơ........................ 44 4 Thông số động cơ IPM của ô tô điện iMiEV................. 45 P (Thực nghiệm) Kết quả đo điện áp pha trên cuộn dây pha a của động cơ. 66 P (Thực nghiệm) Kết quả đo dòng điện trên cuộn dây pha a của động cơ.. 66 Danh mục từ viết tắtChữ viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt AC Alternative Current Xoay chiều BLDC Brushless DC (motor) (Động cơ) một chiều không chổi than DC Direct Current Một chiều DOB Disturbance Observer Bộ quan sát nhiễu DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp mômen EMF Electromotive Force Sức điện động EMR Energetic Macroscopic Representation Biểu diễn vĩ mô năng lượng EVs Electric Vehicles Xe (ô tô) điện FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa theo từ thông ICE Internal Combustion Engine Động cơ đốt trong IPM Interior Permanent Magnet Nam châm vĩnh cửu chìm LPF Low-pass Filter Bộ lọc thông thấp PI Proporsional – Integral Tỷ lệ – tích phân PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PWM Pulse Width Modulation Điều biến độ rộng xung SPM Surface Permanent Magnet Nam châm vĩnh cửu (gắn trên) bề mặt SRM Switched Reluctance Motor Động cơ từ trở chuyển mạch SVPWM Space Vector PWM Điều biến vector không gian SynRM Synchronous Reluctance Motor Động cơ từ trở đồng bộ Mở đầu “biểu diễn năng lượng vĩ mô” EMR để xây dựng mô hình này. Chi tiết về phương pháp EMR và việc mô hình hóa hệ truyền động sử dụng EMR được trình bày lần lượt trong các Mục 3 và 3 của Chương 3. Tiếp đó, chúng tôi nghiên cứu sâu hơn về vấn đề tương tác giữa lốp xe và mặt đường, từ đó đề xuất một mô hình EMR của tương tác này. Đề xuất được trình bày trong Mục 3. Mô hình EMR của hệ truyền động được khảo sát bằng mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink. Chương 4 mô tả hệ thống thực nghiệm trên nền tảng (framework) ô tô điện Mitsubishi iMiEV và các phương pháp xác định thông số động cơ phục vụ cho việc mô hình hóa và thiết kế các bộ điều khiển. Các kết quả thực nghiệm chính được trình bày trong chương này. Luận văn này có thể được coi như có một số đóng góp sau đây.
Chương 1Điều khiển vector động cơ IPMcho hệ truyền động ô tô điện1 Tổng quan về hệ truyền động ô tô điện 1 Đặc điểm của hệ truyền động ô tô điện Ô tô điện sử dụng động cơ điện để truyền động thay cho động cơ đốt trong. Điều này khiến cho hệ truyền động ô tô điện có những ưu thế so với ô tô chạy nhiên liệu xăng dầu như sau [15]:
Từ các phân tích trên, ta thấy khả năng đáp ứng mômen chính là vấn đề cốt lõi của bài toán điều khiển hệ truyền động ô tô điện. Mặt khác, ta thấy rằng với việc lái xe Chương 1. Điều khiển vector động cơ IPM cho hệ truyền động ô tô điện
cấu hình điều khiển vector được lựa chọn cho việc điều khiển hệ truyền động. 1 Theo những hiểu biết tốt nhất của chúng tôi thì hiện chưa có sản phẩm ô tô thương mại dùng loại động cơ này. 2 Có những tranh luận (thú vị) về việc phân loại phương pháp DTC là điều khiển vô hướng hay điều khiển vector. Ở đây, chúng tôi chia thành ba loại với quan điểm: điều khiển vô hướng là các phương pháp chỉ làm việc với giá trị biên độ của các đại lượng, ví dụ như phương pháp V /f ; điều khiển vector là phương pháp làm việc với các vector dòng điện với phép chuyển hệ tọa độ quay đồng bộ; còn DTC là phương pháp làm việc trực tiếp với từ thông và mômen của động cơ bằng các vector điện áp. Chương 1. Điều khiển vector động cơ IPM cho hệ truyền động ô tô điện ELECTRIC MOTOR FOR EVS DC motor InductionMotor Permanent Magnet Synchronous Motor Switched Reluctance Motor Sin wave PM motor (PMSM) Trapezoidal wave PM motor (BLDC motor) Surface Permanent Magnet Motor (SPM motor) Interior Permanent Magnet Motor (IPM motor) Synchronous Motor Synchronous Reluctance Motor (SynRM) Hình 1: Các loại động cơ đã và đang được sử dụng cho ô tô điện. 1 Cấu trúc và mô hình hóa động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (IPMSM) 1 Cấu trúc động cơ IPM Cấu trúc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm IPMSM được cho trong Hình 1. Stator của động cơ được cấu tạo giống như các động cơ xoay chiều ba pha khác, gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau, có các rãnh để quấn dây. Rotor của động cơ là một khối thép (cũng bằng các lá thép ghép cách điện với nhau) có gắn nam châm vĩnh cửu (PM). Điểm khác biệt cơ bản về cấu tạo của động cơ IPM so với các loại động cơ nam châm vĩnh cửu khác nằm ở cách gắn nam châm lên khối thép của rotor. Các loại động cơ khác, điển hình là động cơ SPMSM, có nam châm được gắn đều trên bề mặt của rotor. Trong khi đó, nam châm của động cơ IPM được gắn vào bên trong rotor. Điều này dẫn tới khoảng cách của nam châm đến stator không đều nhau, nói cách khác, độ lớn hiệu dụng của khe hở không khí (effective airgap) trong động cơ IPM là khác nhau. Do đó, từ trở của mạch từ động cơ theo các hướng là khác nhau; tương tự, điện cảm dọc trục (Ld) và ngang trục (Lq) của động cơ cũng khác nhau. Sự khác biệt này dẫn tới một tính chất đặc biệt của loại động cơ này là khả năng sinh mômen từ trở (reluctance torque) bên cạnh mômen do nam châm sinh ra (mutual torque). Do tính chất này, IPM có thể được coi như một loại động cơ lai (hybrid) giữa động cơ SPM và động cơ từ trở đồng bộ SynRM, cụ thể như sau [23]:
Chương 1. Điều khiển vector động cơ IPM cho hệ truyền động ô tô điện việc nghiên cứu điều khiển truyền động điện. Ban đầu, các động cơ được mô hình hóa và điều khiển vô hướng trong hệ tọa độ ba pha tự nhiên, sau đó phương pháp điều khiển vector mới ra đời dựa trên phép chuyển hệ tọa độ Park (theo [3]). Tuy nhiên, ở đây, chúng tôi thực hiện trực tiếp việc mô hình hóa động cơ trên hệ tọa độ quay d − q vì những lý do sau:
Sau khi có mô hình d − q, các phép biến đổi hệ trục tọa độ thuận và ngược sẽ tạo ra các đầu vào và ra ba pha cho các đại lượng điện (điện áp và dòng điện pha). Mô hình toán học của động cơ gồm có các phương trình điện, phương trình điện từ, và phương trình động lực học. Trong hệ tọa độ quay đồng bộ d − q, các phương trình điện của động cơ IPM được cho như sau: [ vd vq ]\=[R + sLd −ωeLq ωeLd R + sLq ] [id iq ]+[0ωeΦ ], (1)trong đó: vd và vq là (hình chiếu của vector) điện áp (lên) trục d và trục q; id và iq là (hình chiếu của vector) dòng điện (lên) trục d và trục q; R là điện trở một pha, cũng là điện trở tương đương trên trục d và trục q; Ld và Lq là điện cảm tương đương trên trục d và trục q (còn gọi là điện cảm dọc trục và ngang trục); ωe là tốc độ điện; Φ là từ thông của nam châm vĩnh cửu; s là toán tử Laplace (s = d/dt). Từ (1), ta nhận thấy điện áp trên mỗi trục bao gồm: (i) thành phần động học của bản thân mạch điện (R + sLd,q), (ii) thành phần tương tác xen kênh (coupling) giữa các trục (±ωeLd,q), và (iii) sức phản điện động back–EMF (ωeΦ). Tiếp theo, phương trình điện từ là mối quan hệ sinh mômen của động cơ: T = 3 Pp 2 [Φiq + (Ld − Lq) idiq] (1) với Pp là số đôi cực (number of pole pairs) của động cơ. Ta thấy rõ có hai thành phần mômen trong phương trình này là mômen sinh ra do nam châm tương tác với dòng điện Chương 1. Điều khiển vector động cơ IPM cho hệ truyền động ô tô điện Lq L d 1 L s d R 1 L s q R 3 Tl 2 P p T T e T r 1 Js r P p e e v d v q i d i q Electric model Electromagnetic model Mechanic model L d Lq abc dq v a v b v c 1 s e Hình 1: Mô hình toán học động cơ IPMSM. iq và mômen sinh ra do chênh lệch điện cảm (Ld − Lq) tương tác với các dòng điện id và iq. Cuối cùng, phương trình động lực học được cho như sau: T − Tl = J dωr dt , (1)trong đó Tl là mômen tải (cản), J là mômen quán tính, ωr là tốc độ rotor với quan hệ ωr = ωe/Pp. Sau khi có mô hình trên miền d − q, các khối chuyển hệ tọa độ Park và Clarke thuận và ngược giúp cho mô hình động cơ kết nối được với hệ thống bên ngoài (mô hình inverter và các mạch đo lường) khi thực hiện mô phỏng. Mô hình toàn thể của động cơ được biểu diễn như trên Hình 1. 1 Điều khiển vector động cơ IPM 1 Nguyên lý điều khiển vector Như đã đề cập ở Mục 1, do những ưu việt của phương pháp điều khiển vector, chúng tôi lựa chọn cấu trúc này để điều khiển hệ truyền động IPMSM cho ô tô điện. Nguyên lý của phương pháp điều khiển vector có thể được diễn đạt một cách ngắn gọn là xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động xoay chiều (AC drive) giống như điều khiển động cơ một chiều (DC motor). Nguyên lý này có thể được dẫn giải theo các bước tiếp cận dưới đây. 4 4 Điều khiển vector ngày nay đã là một kiến thức tương đối quen thuộc, được giảng dạy phổ cập cho sinh viên đại học trong các môn học liên quan đến Truyền động điện. Vì vậy, chúng tôi không viết lại những cách trình bày truyền thống và chi tiết như các giáo trình mà diễn đạt theo cách tiếp cận trực quan của bản thân mình. |