Tài liệu Ứng dụng neural network để nhận dạng và điều khiển tốc độ động cơ pmsm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG NAI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ỨNG DỤNG NEURAL NETWORK ĐỂ NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ PMSM Mã số: TR:2020-07/KCN Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Duy Nam Đồng Nai, tháng 05 năm 2021 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG NAI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ỨNG DỤNG NEURAL NETWORK ĐỂ NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ PMSM Mã số: TR:2020-07/KCN Chủ nhiệm đề tài Nguyễn Duy Nam Đồng Nai, tháng 05 năm 2021 ii DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Học vị, học hàm chuyên môn Cơ quan công tác Nguyễn Duy Nam Thạc sĩ Khoa Công Nghệ - Trường ĐH Công nghệ ĐN Văn Bá Tài Thạc sĩ Khoa Công Nghệ - Trường ĐH Công nghệ ĐN Nguyễn Thị Huệ Thạc sĩ Khoa Công Nghệ - Trường ĐH Công nghệ ĐN Họ và tên iii MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................. iv DANH SÁCH CÁC BẢNG ....................................................................................... vi DANH SÁCH CÁC HÌNH .......................................................................................vii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................ 1 1.1 Đặt vấn đề: ......................................................................................................... 2 1.2 Các vấn đề nghiên cứu của đề tài ...................................................................... 3 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................... 3 1.2.2 Tính thực tiễn của đề tài .............................................................................. 3 1.2.3 Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 3 1.2.4 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 3 CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ . 4 2.1.Khái quát về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) ........................... 4 2.2.Mô hình động học của PMSM ........................................................................... 4 2.2.1.Nguồn tương đương..................................................................................... 4 2.2.2. Momen điện từ ........................................................................................... 5 2.2.3 Mô hình từ thông móc vòng ........................................................................ 6 2.2.4 Mạch tương đương ...................................................................................... 7 2.2.5 Mô phỏng động học ................................................................................... 10 2.2.6 Phương trình tín hiệu nhỏ của PMSM....................................................... 13 2.2.7 Đánh giá đặc tính điều khiển của PMSM .................................................. 14 CHƯƠNG 3 CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ............................................................................................................... 17 3.1 Cấu trúc hệ truyền động điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu .... 17 3.1.1 Hệ truyền động điều khiển mô-men .......................................................... 17 3.1.2 Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ ............................................................. 20 3.2 Các chiến lược điều khiển................................................................................ 23 ( ) 3.2.1 Điều khiển giữ góc mô men bằng hằng số δ = 900 ................................ 24 3.2.2 Điều khiển hệ số công suất ........................................................................ 27 iv 3.2.3 Điều khiển từ thông là hằng ...................................................................... 28 3.2.4 Điều khiển góc giữa từ thông tổng và dòng phức ..................................... 30 3.2.5. Điều khiển tối ưu mômen/dòng điện ........................................................ 32 3.2.6. Điều khiển hệ số tổn hao công suất là hằng ............................................. 33 3.2.7. Điều khiển hiệu suất tối đa ....................................................................... 38 CHƯƠNG 4 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG NƠRON NHÂN TẠO ............................... 40 4.1Giới thiệu .......................................................................................................... 40 4.2Phân loại mạng nơron ....................................................................................... 42 4.2.1Đào tạo Mạng nơron nhân tạo truyền thẳng bằng thuật toán truyền ngược45 4.2.2Mạng hàm cơ sở bán kính .......................................................................... 49 4.2.3Mạng tự tổ chức.......................................................................................... 53 CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON RBF TRONG NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ............................................................................................................ 57 5.1Các ứng dụng của NN RBF cho việc nhận dạng hệ thống (ID) ....................... 57 5.2Ứng dụng của RBF-PI vào hệ thống điều khiển ............................................... 64 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................... 79 6.1 Kết luận ............................................................................................................ 79 6.2 Hướng phát triển .............................................................................................. 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 81 v DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 5.1: So sánh giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển PI dựa trên RBF ...........68 Bảng 5.2: Các giá trị ban đầu của hệ thống đầu vào và các tham số PMSM ...........75 vi DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Mạch tương đương của PMSM bỏ qua tổn thất lõi. ...................................8 Hình 2.2: Mạch trạng tương đương thái ổn định với tổn thất lõi của PMSM. ...........9 Hình 2.3: Sơ đồ khối của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. ............................10 Hình 2.4: Lưu đồ mô phỏng động lực của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. ..11 Hình 2.5: Kết quả mô phỏng động lực .....................................................................12 Hình 3.1:Sơ đồ cấu trúc điều khiển vector hệ truyền động điều khiển mômen động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. ..............................................................19 Hình 3.2:Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. .....21 Hình 3.3: Điều khiển góc mômen không đổi ...........................................................26 Hình 3.4: Giản đồ phức của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu thể hiện từ thông tương hỗ .........................................................................................31 Hình 3.5: Mô hình động cơ PMSM trong hệ tọa độ rotor bao gồm stator và điện trở lõi .............................................................................................................36 Hình 3.6: Thực hiện điều khiển giữ tổn hao công suất không đổi ...........................38 Hình 3.7: Cấu trúc hệ truyền động điều khiển tối thiểu tổn hao ..............................39 Hình 4.1: Mô hình của mạng nơron tổng quát .........................................................41 Hình 4.2: Một quá trình nơron đơn ..........................................................................42 Hình 4.3: Mô hình mạng nơron nhân tạo truyền thẳng với thuật toán lan truyền ngược. ......................................................................................................46 Hình 4.4: Mô hình của một mạng nơron RBF..........................................................51 Hình 4.5: Mô hình bản đồ tự tổ chức .......................................................................54 Hình 5.1a: Đáp ứng của bộ điều khiển RBF-PI dựa trên mạng nơron RBF ............58 Hình 5.1b: Nhận dạng trực tuyến động lực của một hệ tuyến tính sử dụng một RBF NN 3-5-1 ..................................................................................................59 Hình 5.2: Kết quả theo dõi theo các tỷ lệ học khác nhau (a) 0.1 (b) 0.25 (c) 0.5 ....60 Hình 5.3: Sơ đồ khối cho nhận dạng động của hệ thống truyền động PMSM .........61 Hình 5.4: Mô hình đồng mô phỏng Simulink / ModelSim xác định động của hệ thống truyền động PMSM .......................................................................63 vii Hình 5.5: Kết quả nhận dạng động (a) và theo dõi sai số giữa tốc độ rotor và đầu ra theo lệnh tốc độ dạng bậc thang trong hệ thống PMSM (b) ....................63 Hình 5.6: Dòng đáp ứng (a), kết quả nhận dạng động (b) và chênh lệch giữa tốc độ rotor và đầu ra theo lệnh tốc độ dạng sóng sin trong hệ thống truyền động PMSM. .....................................................................................................64 Hình 5.7: Sơ đồ bộ điều khiển PI thông thường .......................................................65 Hình 5.8: Mô hình mô phỏng Simulink cho bộ điều khiển PI thông thường ...........66 Hình 5.9: Mô hình mô phỏng Simulink cho bộ điều khiển RBF-PI ........................67 Hình 5.10: Kết quả đáp ứng ngõ ra khi theo dõi mô hình tham chiếu với bước lệnh đầu vào cho (a) điều khiển PI thông thường và (b) điều khiển RBF-PI. .67 Hình 5.11: Mô hình đồng mô phỏng Simulink/ ModelSim cho điều khiển RBF-PI trong hệ phi tuyến ....................................................................................69 Hình 5.12: Đáp ứng ngõ ra bằng cách sử dụng (a) bộ điều khiển PI thông thường và (b) bộ điều khiển RBF-PI ........................................................................69 Hình 5.13: Chuyển đổi Jacobian ..............................................................................70 Hình 5.14: Sơ đồ khối cho nhận dạng động ( khối-3) và điều khiển RBF-PI đáp ứng ( khối-1) của hệ thống truyền động PMSM .............................................71 Hình 5.15: Mô hình đồng mô phỏng Simulink/ ModelSim cho việc nhận dạng động và điều khiển RBF-PI thích ứng với hệ thống truyền động PMSM ..................73 Hình 5.16: Mô hình tham chiếu theo dõi tốc độ rotor trong điều khiển RBF-PI .....73 Hình 5.18: Theo dõi sai số giữa tốc độ rotor và đầu ra của nhận dạng động dưới lệnh tốc độ tham chiếu trong truyền động PMSM.................................................74 Hình 5.19: Giá trị độ khuếch đại của Kp ( a) và Ki (b) ............................................75 Hình 5.20: Đáp ứng tốc độ bằng bộ điều khiển PI thông thường ............................76 Hình 5.21: Đáp ứng tốc độ sử dụng bộ điều khiển RBF-PI .....................................76 Hình 5.22: Sự thay đổi độ khuếch đại Kp, Ki đạt được trong bộ điều khiển RBF-PI ..77 viii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: ỨNG DỤNG NEURAL NETWORK ĐỂ NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ PMSM - Mã số: TR:2020-07/KCN - Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Duy Nam, Điện thoại: 0937303880, Email: [email protected] - Danh sách những người thực hiện chính: Văn Bá Tài, Điện thoại: 0917861849, Email: [email protected] Nguyễn Thị Huệ, Điện thoại: 0909949266, Email: [email protected] - Đơn vị quản lý về chuyên môn: Khoa công nghệ. - Thời gian thực hiện: 01/09/2020 đến 31/01/2021 2. Mục tiêu: Ứng dụng mạng nơron trong bài toán nhận dạng hệ thống điều khiển phi tuyến và áp dụng vào việc điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cứu. Nghiên cứu nhận dạng và điều khiển tốc độ động cơ để nâng cao hiệu quả điều khiển. 3. Nội dung chính: Mô phỏng và phân tích giải pháp nhận dạng và điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. 4. Kết quả chính đạt được (khoa học, đào tạo, kinh tế-xã hội, ứng dụng, ...) - Chứng minh bộ điều khiển RBF-PI được điều chỉnh thể hiện hiệu quả điều khiển tốt, cải thiện hiệu suất, so với bộ điều khiển PI thông thường. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề: Trong các bài toán nhận dạng và điều khiển, việc ứng dụng mạng neuron ngày càng phổ biến nhưngdo tính phi tuyến cao của hàm kích hoạt trong mạng nơron, việc thực hiện mạng nơron trong hệ thống số gặp nhiều khó khăn và độ chính xác không cao. Bên cạnh đó, việc thiết kế quá trình truyền thẳng và quá trình lan truyền ngược của mạng cần phải có sự phối hợp tốt giúp cho việc học của mạng nơron được hiệu quả. Trong trường hợp này, mạng nơron cần được thực hiện trên nền tảng phần cứng. Trên thực tế, mạng nơron có thể được thực hiện bằng cả phần mềm và phần cứng. Việc triển khai trên phần cứng đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ và độ chính xác cao, như trong công nghệ nhận dạng và một số ứng dụng khác. Mạng perceptron đa lớp (MLP) đã được phát triển trên FPGA với kiểu dữ liệu fixed-point sử dụng các thuật toán cơ bản cộng và nhân, trong đó các trọng số được cập nhật mỗi giây [1]. Trong một nghiên cứu khác, mạng neuron đã được thiết kế bằng phần mềm Labview, sử dụng để tính toán tốc độ làm việc của động cơ trong hệ truyền động 2 trục. Ngoài ra, mạng nơron với hàm bán kính cơ sở đã được thực thi trên nền tảng phần cứng trong hệ thống theo dõi và nhận diên mặt người ở thời gian thực [2-3]. Qua việc khảo sát một số bài báo, học viên nhận thấy có nhiều nghiên cứu đã đưa ra các phương pháp khác nhau để thực hiện mạng nơron trong hệ thống số [4-16]. [4] Bài báo nghiên cứu về việc thiết kế mạch tương tự có thể lập trình kỹ thuật số phù hợp cho một số hàm phi tuyến bằng cách xấp xỉ chúng bởi hàm sigmoid. [8] Bài báo trình bày việc áp dụng lý thuyết ngẫu nhiên để thiết kế và thực hiện điều khiển định hướng động cơ cảm ứng bằng cách sử dụng mạch tích hợp (FPGA) và các thuật toán mạng nơron (NN). [12] Bài báo trình bày việc thực hiện phần cứng của mạng nơron hàm cơ sở bán kính (RBF NN) có trọng số được cập nhật theo thời gian thực bằng thuật toán 2 truyền ngược. Bộ xử lý floating point được thiết kế trên một mạch tích hợp (FPGA) để thực hiện các hàm phi tuyến trong phép tính xử lý song song. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào đưa ra được phương pháp thiết kế một cách chi tiết và cụ thể. Có thể nói, việc thiết kế mạng nơron phát triển trên phần cứng, với mô tả chi tiết quá trình học, tương đối hiếm trong các tài liệu [17]. Trong đề tài này sẽ trình bày chi tiết cấu trúc của mạng nơron hàm bán kính cơ sở (RBF NN) và thực hiện trên cơ sở phần cứng, đồng thời ứng dụng trong các bài toán nhận dạng hệ phi tuyến. 1.2 Các vấn đề nghiên cứu của đề tài 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu Ứng dụng mạng nơron trong bài toán nhận dạng hệ thống điều khiển phi tuyến và áp dụng vào việc điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nghiên cứu nhận dạng và điều khiển tốc độ động cơ để nâng cao hiệu quả điều khiển. 1.2.2 Tính cấp thiết của đề tài Qua kết quả mô phỏng và phân tích giải pháp nhận dạng và điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Đã chứng minh được tính hữu hiệu của phương phương pháp điều khiển tốc độ sử dụng mạng nơron RBF. Qua đó có thể ứng dụng giải pháp để điều khiển các đối tượng bất định, có các đặc tính thay đổi trong quá trình hoạt động. 1.2.3 Đối tượng nghiên cứu Điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển PI kết hợp với mạng nơron RBF. 1.2.4 Phương pháp nghiên cứu Tham khảo các tài liệu, các sách, các báo đã công bố trong nước và ngoài nước. Mô hình hóa mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab. 3 CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 2.1. Khái quát về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có cấu tạo gồm các cuộn dây 3 pha phân bố đối xứng và rotor gắn nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường khe hở. Việc loại bỏ được mạch điện kích từ ở phía rotor đem lại một số ưu điểm cho PMSM như giảm tổn hao đồng, mật độ công suất cao hơn, giảm mô-men quán tính của động cơ, cấu tạo rotor bền vững về mặt cơ khí hơn. 2.2. Mô hình động học của PMSM 2.2.1. Nguồn tương đương Các đầu vào công suất cho máy ba pha có được bằng năng lượng đầu vào cho các máy hai pha có ý nghĩa giải thích trong phép đo, phân tích và mô phỏng. Công suất đầu vào tức thời của 3 pha là: p = vt i =v i +v i +v i i abc abc as as bs bs cs cs pi (2.1) : công suất đầu vào tức thời vt abc : vector điện áp pha abc tức thời v ,v v as bs, cs : điện áp đầu vào pha a, b, c iabc : vector điện áp pha abc i ,i i as bs, cs : dòng điện stator tức thời 3 pha Các dòng pha abc và điện áp được chuyển thành tương đương:   v = T − 1vr abc abc qdo − 1i r i =T abc abc qdo (2.2) (2.3) Từ (2.1), (2.2), (2.3) ta có công suất đầu vào:     − 1 t T − 1i r p = (v r )t  T i qdo  abc  abc qdo 4 (2.4) Khai triển phía bên phải của phương trình (2.4), công suất đầu vào trong các biến dqo là: 3  p =  v r i r + v r i r  + 2v i  i 2  qs qs ds ds  0 0 (2.5) Đối với máy 3 pha cân bằng, dòng thứ tự không không tồn tại nên công suất đầu vào có thể được thu gọn: 3  p =  v r i r + v r i r  i 2  qs qs ds ds  (2.6) 2.2.2. Momen điện từ Mô-men điện từ là các biến đầu ra quan trọng nhất để xác định các động lực cơ khí của máy chẳng hạn như vị trí rotor và tốc độ. Nó có nguồn gốc từ phương trình ma trận máy bằng cách nhìn vào công suất đầu vào và các thành phần khác của nó như tổn thất điện trở, công suất cơ học, và mức độ thay đổi của năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây stator. Mức độ thay đổi của năng lượng từ trường được lưu trữ chỉ có thể bằng không trong trạng thái ổn định. Do đó, trong một trạng thái ổn định có tổn thất điện trở và công suất đầu ra chênh lệch với công suất đầu vào. Mức độ thay đổi của năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây stator không cần phải bằng không. Và nguồn gốc của các momen xoắn điện từ được thực hiện như sau. Các phương trình động học của PMSM có thể được viết như sau: V = Ri + Lpi + G i r (2.7) Công suất đầu vào tức thời là: p = itV = i t Ri + i t Lpi + it G i i r (2.8) Với: R : ma trận các thành phần điện trở L : ma trận các hệ số của hàm điều hành p G : ma trận các hệ số của tốc độ rotor ωr it Ri : điện trở tổn thất ở rotor và stator 5 i t Lpi : biểu thị mức độ thay đổi năng lượng từ trường được lưu trữ i t G r i : các thành phần còn lại bao gồm cả khe hở không khí Mối liên hệ giữa khe hở không khí và momen xoắn:  T = P = i t Gi = i t Gi  m e a r P 2 m (2.9) Trong đó P là số cực. Bỏ qua tốc độ trên cả hai vế phương trình ta có momen điện từ: P T = i t Gi e 2 (2.10) Thay thế [G] trong phương trình (2.10) ta có momen xoắn điện từ thu được dưới dạng: 3 P T =  +  L − L i r i r ( N.m) e 2 2  af  d q  ds  qs (2.11) 2.2.3 Mô hình từ thông móc vòng Các phương trình động lực của PMSM trong hệ tọa độ rotor có thể được thể hiện bằng cách sử dụng các mối liên kết từ thông như các biến. Ngay cả khi điện áp và dòng là không liên tục thì các từ thông móc vòng vẫn liên tục. Điều này tạo thuận lợi phân biệt các biến số có sự ổn định. Các từ thông móc vòng stator và rotor trong hệ tọa độ rotor được định nghĩa là: r = L i r qs q qs (2.12) r = L i r +  ds d ds af (2.13) Từ những phương trình này, các dòng điện stator trong hệ tọa độ rotor có thể được biểu diễn với các từ thông móc vòng và cuộn cảm. Điện áp theo hệ trục dq stator về các từ thông móc vòng trong hệ tọa độ rotor như sau: R v r = s r + pr +  r qs L qs qs r ds q (2.14) R v r = s  r −   + pr −  r ds L  ds af  ds r qs d (2.15) 6 Những phương trình này có thể được biểu diễn dưới dạng các mạch tương đương và cũng có thể ở dạng một sơ đồ khối. Momen điện từ như là một hàm của các từ thông móc vòng thu được bằng cách thay thế dòng điện stator về các từ thông móc vòng và được tính toán như sau: 3P 1 T = e 22L q  + (1 −  )r r = 3 P r i r − r i r   af ds  qs 2 2  ds qs qs ds  Trong đó: (2.16) L q = L d Phần thứ hai của biểu thức thể hiện rõ hơn momen là kết quả của sự tương tác giữa từ thông móc vòng và dòng điện trục d-q ở các cuộn dây và ngược lại. Các dấu trừ liên quan đến các từ thông móc vòng trục q và trục d dòng điện là bởi vì nó tạo ra một momen cản ngược lại với các thành phần momen khác. 2.2.4 Mạch tương đương Các mạch tương đương của PMSM có thể bắt nguồn từ các phương trình stator và được thể hiện ở hình 2.1. 7 Hình 2.1: Mạch tương đương của PMSM bỏ qua tổn thất lõi. (a) Mạch tương đương stator theo trục q (b) Mạch tương đương stator theo trục d (c) Mạch tương đương không theo trình tự Các mạch tương đương rất hữu ích trong việc nghiên cứu hệ thống. Các mạch tương đương có thể được sửa đổi để giải thích cho những tổn thất lõi. Tổn thất lõi sinh ra bởi từ trễ và các tổn thất dòng xoáy trong các lá thép kỹ thuật điện. Trong khi những tổn thất thường bị chi phối bởi mật độ từ trường, tần số kích thích, và đặc tính của lá thép, và độ dày của lá thép trong trường hợp tổn thất dòng xoáy là duy nhất, cần lưu ý rằng mỗi biến ảnh hưởng đến sự tổn thất lõi rất khác nhau. Hơn nữa, có tổn thất trên mặt cực và tổn thất sóng hài do cuộn dây và các lá thép stator và rotor. Như vậy một mô hình tổn thất cho tất cả mọi các thành phần có thể không được dễ dàng tích hợp vào các mạch tương đương đơn giản. Tuy nhiên, một mô 8 hình đơn giản để giải thích cho những tổn thất cốt lõi do kích thích cơ bản là có thể bởi một trở kháng tương đương, mặc dù vẫn có tổn thất khác như tổn thất trên mặt cực và tổn thất sóng hài được loại trừ trong một mô hình này. Mô hình này rất hữu ích trong các nghiên cứu tính hiệu quả tối ưu momen cho hoạt động của máy, và quan trọng nhất để xác định momen đối với tốc độ giới hạn để việc sử dụng tối ưu và an toàn nhất trong vận hành máy. Hình 2.2: Mạch trạng tương đương thái ổn định với tổn thất lõi của PMSM. (a) Mạch tương đương trạng thái ổn định theo trục q (b) Mạch tương đương trạng thái ổn định theo trục d Việc thêm vào điện trở tổn hao tương đương trong các mạch theo trục q và d chứng minh rằng dòng điện tiêu thụ của chúng bị mất cho hệ momen trong máy. Hơn thế nữa, những tổn thất làm giảm khả năng tản nhiệt của máy. Các sơ đồ khối của PMSM được thể hiện trong hình 2.3. Các momen điện từ có được từ các từ thông móc vòng. Các dòng điện được rút ra từ các từ thông móc vòng và chúng không được hiển thị ở đây để đơn giản hóa. 9 Hình 2.3: Sơ đồ khối của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. 2.2.5 Mô phỏng động học Các mô phỏng động năng của PMSM được giải thích trong phần này. Các phương trình của PMSM trong hệ tọa độ rotor:  R   L 1 r  afn  r r r sn dn pi =  − i −  i −  + v qsn b  L qsn L rn dsn L rn L qsn  qn qn qn  qn  (2.18)  Lqn R r 1 r  r r  sn pi =   −  i − i + v  qsn b L rn qsn L dsn L dsn dn dn  dn  (2.19) 1  p =  i r −  L − L i r i r − B  − T  rn 2H  afn qsn  dn qn  dsn qsn n rn n  (2.20) Các phương trình cuối cùng được thêm vào để tìm vị trí rotor vì nó rất quan trọng trong việc xác định điện áp và dòng điện trong từng pha của máy. Các vị trí rotor đơn vị là radian. Nó được xem là những phương trình phi tuyến, kết quả của các biến có liên quan. Các giải pháp của hệ thống sau đó thu được bằng cách tích hợp các phương trình vi phân. Phương pháp Runge Kutta Gill có thể được sử dụng cho tích phân số hoặc minh họa trong chương trình MATLAB, một giải pháp đơn giản bằng cách rời rạc hóa có thể thu được điện áp đầu vào. Các dòng pha abc có thể được lấy từ dòng dq trong hệ tọa độ rotor bằng cách sử dụng các ma trận biến 10 đổi nghịch đảo. Từ các dòng dq stator, thu được momen điện từ. Việc thực hiện trong điều kiện mô phỏng được thể hiện trong hình 2.4. Không có sự điều khiển đối với các PMSM dựa trên vị trí rotor của nó trong mô phỏng này. Bởi vì các dòng stator đạt được giá trị cao với các dao động trong khe hở không khí momen, dẫn đến sự rung lắc đáng kể của rotor. Sự rung lắc như vậy là điều không mong muốn. Đối với mô phỏng này, momen tải được coi là bằng không và điện áp pha áp dụng là bằng với điện áp cơ sở về độ lớn và một bộ cân bằng điện áp ba pha với tần số 60 Hz. Các trục q và d điện áp stator trong hệ tọa độ rotor không phải là hằng số. Hình 2.4: Lưu đồ mô phỏng động lực của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. 11 Hình 2.5: Kết quả mô phỏng động lực Để vận hành PMSM tốt hơn, hãy xem xét điều khiển vòng kín đơn giản mà vị trí rotor được sử dụng để thiết lập một pha điện áp như một hình sin của vị trí rotor và góc α cố định. Các điện áp pha b và c có nguồn gốc tương tự. Góc α được gọi là góc pha điện áp stator. Độ lớn của điện áp pha được đưa ra như là một chức năng của tốc độ rotor cộng với một điện áp bù đắp như: V = K  +1 m b r (V) (2.21) Với: r : Tốc độ quay rotor Kb : Hằng số EMF Điện áp bù vượt quá điện áp rơi trên trở để làm cho nó có khả năng tạo ra một dòng điện tại thời điểm bắt đầu từ điểm dừng. Đối với biến tần điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng có thể nhận ra rằng điện áp bù phục vụ cùng một mục đích 12