Luận án Nghiên cứu phát triển chip cho hệ điều khiển tựa từ thông rotor động cơ xoay chiều ba pha trên nền tảng FPGA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ NAM DƯƠNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CHIP CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰA TỪ THÔNG ROTOR ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA TRÊN NỀN TẢNG FPGA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ NAM DƯƠNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CHIP CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰA TỪ THÔNG ROTOR ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA TRÊN NỀN TẢNG FPGA Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Vũ Hoàng Phương 2. PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Hà Nội - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS Vũ Hoàng Phương PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Lê Nam Dương ii LỜI CẢM ƠN Trải qua một thời gian dài, với rất nhiều khó khăn và thử thách về mặt chuyên môn, về kinh nghiệm nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã hoàn thành bản luận án của mình. Trong suốt quá trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự quan tâm, giúp đỡ, hỗ trợ vô cùng lớn lao của tập thể hướng dẫn, của các đơn vị chuyên môn tại đơn vị đào tạo cũng như đơn vị công tác, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, các anh chị em cùng học nghiên cứu sinh. Qua đây, tác giả muốn gửi lời cảm ơn chân thành và trân trọng tới các thầy PGS.TS Nguyễn Văn Liễn và PGS.TS Vũ Hoàng Phương, tập thể hướng dẫn đã có những định hướng sâu sắc để nghiên cứu sinh không chỉ hoàn thành luận án mà còn trưởng thành trong tư tưởng và thái độ đối với vấn đề chuyên môn và nghiên cứu khoa học. Tác giả xin chân thành cảm ơn tới các Thầy GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, PGS.TS Trần Trọng Minh, PGS.TS Nguyễn Quang Địch, các cán bộ Viện và các anh chị em NCS Viện Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa đã cho nghiên cứu sinh rất nhiều đóng góp ý trong các buổi cáo cáo chuyên môn định kỳ tại Viện. Tác giả xin chân thành cảm ơn tới TS. Đào Quý Thịnh, TS. Giáp Văn Nam, các thầy cô và các anh chị em NCS Khoa Tự động hóa, trường Điện – Điện tử đã động viên và giúp đỡ nghiên cứu sinh trong quá trình nghiên cứu. Tác giả xin cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Tùng Lâm, TS. Nguyễn Danh Huy, Th.s Vũ Lê Minh, Th.s Lê Đức Thịnh, Th.s Tạ Thế Tài cùng các bạn sinh viên Nguyễn Thanh Thắng, Hoàng Nam Đàn thuộc Lab ME đã hỗ trợ NCS trong quá trình thực hiện mô phỏng và sửa chữa luận án. Tác giả cảm ơn NCS Đỗ Tuấn Anh và các bạn sinh viên Đỗ Tùng Dương, Trần Văn Hùng, Nguyễn Văn Nghĩa, Bùi Đức Tâm thuộc Lab PE đã hỗ trợ NCS trong quá trình làm thực nghiệm và lấy kết quả nghiên cứu. Tác giả xin cảm ơn các phòng ban của Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận án. Tác giả xin cảm ơn đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Quy Nhơn đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh đi học, cảm ơn đến Ban chủ nhiệm và các thầy cô đồng nghiệp Khoa Kỹ thuật và Công Nghệ đã hỗ trợ để nghiên cứu sinh vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa nghiên cứu luận án. Cuối cùng, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình hai bên, ba mẹ, vợ và hai con, những người luôn đồng hành, cảm thông và động viên tác giả trong quá trình hoàn thành luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến anh chị em trong gia đình và bạn bè, luôn động viên và hỗ trợ tác giả. Lê Nam Dương iii Mục lục LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................... 1 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 2 3. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................. 2 4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 3 5. Những đóng góp mới của luận án ............................................................................ 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................. 3 7. Bố cục và nội dung của luận án ............................................................................... 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA 6 1.1 Đặt vấn đề .............................................................................................................. 6 1.2. Giải pháp thiết kế bộ điều khiển dòng điện .......................................................... 8 1.2.1 Mô hình toán học động cơ xoay chiều ba pha ........................................... 8 1.2.2 Tóm tắt về điều khiển mạch vòng dòng điện ........................................... 12 1.3 Công nghệ DSP trong điều khiển động cơ xoay chiều ba pha ............................. 20 1.4 Công nghệ FPGA trong điều khiển động cơ xoay chiều ba pha .......................... 22 1.5 Định hướng nghiên cứu của luận án .................................................................... 24 1.6 Kết luận chương 1 ................................................................................................ 24 CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA TRÊN NỀN TẢNG FPGA 25 2.1 Tổng quan về FPGA ............................................................................................ 25 2.1.1 Cấu trúc chung của FPGA .................................................................. 26 2.2 Thực hiện chuẩn hóa dữ liệu trên FPGA.............................................................. 31 2.2.1 Chuẩn hóa dữ liệu ADC ..................................................................... 31 2.2.2 Chuẩn hóa dữ liệu ............................................................................. 36 2.2.2 Chuẩn hóa dữ liệu bộ điều khiển dòng điện PI ........................................ 36 2.3 Phương pháp thiết kế dựa trên FPGA ................................................................. 40 2.3.1. Đặc tả hệ thống sơ bộ ........................................................................ 42 2.3.2. Phát triển thuật toán .......................................................................... 42 2.3.3. Phát triển kiến trúc dựa FPGA ............................................................ 44 iv 2.3.4. Thực nghiệm ................................................................................... 47 2.4 Tổng kết chương 2 ............................................................................... 47 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA TRÊN NỀN TẢNG FPGA 48 3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................ 48 3.2 Thiết kế khối dùng chung cho động cơ xoay chiều ba pha dựa trên FPGA ......... 49 3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện PI ...................................................... 53 3.2.2 Thiết kế khâu đo dòng điện ................................................................. 56 3.2.3 Thiết kế khâu đo tốc độ ...................................................................... 60 3.2.4 Thiết kế các khâu chuyển hệ tọa độ ...................................................... 65 3.2.5 Thiết kế khâu phát xung SVM ............................................................. 68 3.3 Mô hình thực nghiệm thời gian thực .................................................................... 74 3.3.1 Thiết bị Typhoon HIL 402 .................................................................. 75 3.3.2 Triển khai trên Typhoon HIL .............................................................. 76 3.4 Thiết kế và kết quả thực nghiệm cho động cơ KĐB-RLS ................................... 80 3.4.1 Thiết kế mô hình từ thông ................................................................... 80 3.4.2 Kết quả thực nghiệm.......................................................................... 82 3.5 Thiết kế và kết quả thực nghiệm cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu ...... 89 3.6 Kết luận chương 3 ................................................................................................ 96 CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN KHÁNG NHIỄU CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU 97 4.1 Các ảnh hưởng của nhiễu lên động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha .......... 97 4.2 Các phương pháp kháng nhiễu sử dụng các cấu trúc điều khiển nâng cao ........ 100 4.3 Thiết kế thuật toán kháng nhiễu phi tuyến cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu. .................................................................................................................................... 102 4.3.1 Mô hình hóa động cơ PMSM ............................................................ 102 4.3.2 Thiết kế bộ quan sát nhiễu phi tuyến và đánh giá ổn định ........................ 104 4.4 Cấu trúc điều khiển và mô phỏng .......................................................... 107 4.4.1 Cấu trúc điều khiển ......................................................................... 107 4.4.2 Kết quả mô phỏng ........................................................................... 108 4.3 Kết luận chương ................................................................................................. 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 PHỤ LỤC PL1 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Danh mục các từ viết tắt Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng anh Ý nghĩa tiếng việt ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số Clk Clock Xung nhịp CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm DSP Digital Signal Processor Xử lý tín hiệu số FSM Finite-State Machine Máy trạng thái hữu hạn FOC Field Oriented Control Điều khiển hướng trường FPGA Field Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình trường ĐB-KTVC Đồng bộ - kích thích vĩnh cửu ĐCXCBP Động cơ xoay chiều ba pha HIL Hard ware in the loop simulation Mô phỏng thiết bị phần cứng IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Van bán dẫn IGBT IM Induction motor Động cơ không đồng bộ IP Intellectual Property Tài sản trí tuệ MHTT Mô hình tính toán từ thông KĐB-RLS Không đồng bộ -rotor lồng sóc KĐB Không đồng bộ PMSM Pemanent Magnet Synchronous Motor Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PI Proportional-Intergral Bộ điều khiển PI PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung SoC System on chip Hệ thống trên chip SVPWM Space vector Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung vector không gian VHDL Verilog Hardware Description Language Ngôn ngữ mô tả phần cứng vi 2. Danh mục các ký hiệu Ký Hiệu Đơn vị Ý Nghĩa Lsd mH Điện cảm pha của stator trên trục d Lsq mH Điện cảm pha của stator trên trục q Lm mH Hỗ cảm giữa cuộn dây rotor với cuộn dây stator λm wb Từ thông móc vòng giữa từ trường rotor với stator λf wb Từ thông rotor isd A Dòng điện stator trên trục d isq A Dòng điện stator trên trục q λsd wb Từ thông stator trên trục d λsq wb Từ thông stator trên trục q usd V Điện áp stator trên trục d usq V Điện áp stator trên trục q ω rad/s Tốc độ góc rotor θe rad Vị trí vector từ trường rotor isα A Dòng điện stator trên trục α isβ A Dòng điện stator trên trục β usα V Điện áp stator trên trục α usβ V Điện áp stator trên trục β Rs Ω Điện trở stator J1, J2 Kg.m2 Mômen quán tính động cơ và tải sψ , rψ Wb Vector từ thông stator và rotor sd sq,ψ ψ , rd rq,ψ ψ Wb Các thành phần của vector từ thông stator và rotor trên hệ tọa độ dq pz Số cặp cực vii DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của ĐCKĐB-RLS điều khiển kiểu theo nguyên lý tựa theo từ thông rotor. ................................................................................................................................ 9 Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc của ĐCĐB-KTVC điều khiển kiểu nguyên lý tựa theo từ thông rotor ...................................................................................................................................... 11 Hình 1.3 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện .......................................................... 14 Hình 1.4 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ ................................................................ 15 Hình 1.5 Cấu trúc mạch vòng điều khiển từ thông rotor .................................................... 15 Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển đan kênh của bộ điều khiển dòng điện ................................ 16 Hình 1.7 Cấu trúc bộ điều khiển dòng stator sdi ................................................................. 17 Hình 1.8 Cấu trúc của bộ điều khiển tốc độ quay ............................................................... 18 Hình 1.9 Mạch vòng tốc độ xét tới ảnh hưởng của mômen tải ........................................... 19 Hình 1.10 Cấu trúc hệ truyền động trên DSP ..................................................................... 21 Hình 2.1 Cấu trúc chung của FPGA ................................................................................... 26 Hình 2.2 Khối CLB ............................................................................................................. 27 Hình 2.3 Khối kết nối ......................................................................................................... 27 Hình 2.4 Cấu trúc chung của một khối I/O ......................................................................... 28 Hình 2.5 Cấu trúc vi xử lý bên trong kit FPGA Zybo Z7-20 họ Zynq-7000 [83] .............. 29 Hình 2.6 Sơ đồ khối của XADC. ........................................................................................ 31 Hình 2.7 Các cổng vào ra của XADC ................................................................................. 33 Hình 2.8 Đồ thị chuyển đổi dữ liệu trong chế độ đơn cực .................................................. 35 Hình 2.9 Đồ thị chuyển đổi dữ liệu trong chế độ lưỡng cực .............................................. 35 Hình 2.10 Sơ đồ khối bộ điều khiển PI ............................................................................... 36 Hình 2.11 Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng điện PI .............................................................. 38 Hình 2.12 Quy trình xử lý tổng thể của bộ điều khiển dòng PI .......................................... 39 Hình 2.13 Phương pháp thiết kế FPGA được đề xuất ........................................................ 41 Hình 3.1 Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện .................................................................. 48 Hình 3.2 Kiến trúc phân cấp module .................................................................................. 49 Hình 3.3 Kiến trúc phần cứng bộ điều khiển dòng điện ..................................................... 50 Hình 3.4 Thiết kế mạch vòng dòng điện sử dụng phương pháp xử lý song song ............... 51 Hình 3.5 Trạng thái máy mô tả mạch vòng dòng điện ....................................................... 52 Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán của bộ điều khiển PI trên nền tảng FPGA .............................. 55 Hình 3.7 Khối XADC trong phần mềm Vivado Design Suites. ......................................... 57 Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán điều khiển khối XADC và tách tín hiệu 2 kênh đo ................ 58 Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán tính 3 dòng điện stator. ........................................................... 59 viii Hình 3.10 Các khối thực hiện đo dòng stator trên FPGA ................................................... 60 Hình 3.11 Nhiễu của động cơ trên encoder. ....................................................................... 60 Hình 3.12 Trạng thái logic chuẩn trên 2 kênh a và b khi động cơ quay ............................. 61 Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán đọc encoder ........................................................................... 64 Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán khối chuyển hệ tọa độ abc sang dq. ...................................... 66 Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán khối chuyển tọa độ dq sang αβ. ............................................ 67 Hình 3.16 Sáu sector trên hệ tọa độ αβ. .............................................................................. 68 Hình 3.17 Lưu đồ thuật toán khối chọn sector. ................................................................... 69 Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán khối duty cycle. .................................................................... 70 Hình 3.19 Kết quả mô phỏng khối tạo xung răng cưa trên Vivado. ................................... 71 Hình 3.20 SVM thực hiện trên nền tảng FPGA .................................................................. 71 Hình 3.21 Thuật toán điều khiển dòng điện trên FPGA ..................................................... 72 Hình 3.22 Kết quả mô phỏng RTL của cấu trúc bộ điều khiển dòng điện ......................... 73 Hình 3.23 Typhoon HIL 402 .............................................................................................. 75 Hình 3.24 Cấu hình mạch lực trên môi trường Typhoon HIL ............................................ 76 Hình 3.25 Cấu hình các van điều khiển của mạch van ....................................................... 77 Hình 3.26 Sơ đồ ghép nối HIL- FPGA ............................................................................... 78 Hình 3.27 Sơ đồ nối dây giữa FPGA và Typhoon HIL 402. .............................................. 78 Hình 3.28 Hệ thống mô phỏng HIL cho động cơ xoay chiều ba pha trên FPGA ............... 79 Hình 3.29 Lưu đồ thuật toán thực hiện khối mô hình từ thông. ......................................... 81 Hình 3.30 Chu kì thực hiện thuật toán FOC với tần số 100kHz ......................................... 83 Hình 3.31 Thời gian thực hiện thuật toán FOC cho động cơ KĐB-RLS............................ 84 Hình 3.32 Dòng điện stator khi sp 150( rad / s )=ω . .......................................................... 85 Hình 3.33 Tốc độ động cơ và mômen động cơ sinh ra khi sp 150( rad / s )=ω . ................. 85 Hình 3.34 Dòng điện stator khi sp 95( rad / s )=ω . ............................................................. 85 Hình 3.35 Tốc độ động cơ và mômen động cơ sinh ra khi sp 95( rad / s )=ω . .................... 86 Hình 3.36 Dòng điện stator khi sp 190(rad / s)ω = . .............................................................. 86 Hình 3.37 Tốc độ động cơ và mômen động cơ sinh ra khi sp 190( rad / s )=ω . ................... 86 Hình 3.38 Dòng điện stator khi sp 150(rad / s)ω = . .............................................................. 87 Hình 3.39 Tốc độ động cơ và mômen động cơ sinh ra khi sp 150( rad / s )=ω . ................. 87 Hình 3.40 Dòng điện stator khi sp 30(rad / s)ω = . .............................................................. 87 Hình 3.41 Tốc độ động cơ và mômen động cơ sinh ra khi sp 30( rad / s )=ω . ................. 87 Hình 3.42 Dòng điện stator khi sp 190( rad / s )=ω . .............................................................. 88 Hình 3.43 Dòng điện stator khi sp 128( rad / s )=ω . .......................................................... 88 Hình 3.44 Tốc độ động cơ và mômen động cơ sinh ra khi sp 128( rad / s )=ω . ................... 88 ix Hình 3.45 Dòng điện stator khi sp 32( rad / s )=ω . ............................................................. 89 Hình 3.46 Tốc độ động cơ và mômen động cơ sinh ra khi sp