NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CHIP CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰA TỪ THÔNG ROTOR ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA TRÊN NỀN TẢNG FPGA
Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Luận án tập trung vào nghiên cứu phát triển chip cho hệ điều khiển tựa từ thông rotor động cơ xoay chiều ba pha trên nền tảng FPGA. Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ sự phát triển của điều khiển số trong các hệ thống điện công nghiệp, đặc biệt là động cơ xoay chiều ba pha. Mặc dù vi điều khiển (µP) và bộ xử lý tín hiệu số (DSP) phổ biến do tính mềm dẻo và chi phí thấp, chúng vẫn còn hạn chế về tính chính xác và độ trễ vòng lặp phản hồi, đặc biệt với các thuật toán phức tạp và yêu cầu tính toán nhanh cho động cơ tốc độ cao.
FPGA được đề xuất như một giải pháp thay thế hiệu quả, có khả năng tăng hiệu suất, tính toán thời gian thực trong vài micro giây, cho phép phát triển kiến trúc điều khiển thích nghi và tích hợp toàn bộ hệ thống trên chip (SoC). Điều này đặc biệt quan trọng cho các ứng dụng động cơ quay nhanh (10-100.000 vòng/phút) đòi hỏi tần số PWM và cập nhật điều khiển cao (10kHz-200kHz), cũng như tận dụng các thiết bị bán dẫn băng thông rộng như SiC và GaN.
Đối tượng nghiên cứu là hệ điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, đặc biệt là động cơ có mật độ công suất cao. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế Chip điều khiển, các thuật toán điều khiển dựa trên FPGA và xây dựng cấu trúc điều khiển bền vững sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu. Mục tiêu chính là thiết kế chip điều khiển mạch vòng dòng điện và phát triển phần cứng/phần mềm thuật toán điều khiển trên nền tảng FPGA, đồng thời thiết kế cấu trúc điều khiển bền vững với thuật toán kháng nhiễu.
Phương pháp nghiên cứu bao gồm tổng hợp phương pháp thiết kế điều khiển dòng điện tựa từ thông rotor trên FPGA, thiết kế bộ điều khiển kháng nhiễu, và mô phỏng off-line (Matlab/Simulink) cùng mô phỏng thời gian thực HIL.
Những đóng góp mới của luận án là nghiên cứu, thiết kế thành công Chip điều khiển dòng điện tựa từ thông rotor trên nền tảng FPGA với cấu trúc thay đổi linh hoạt, đáp ứng yêu cầu đề ra. Luận án cũng phát triển một quy trình thiết kế chip hiệu quả, giúp giảm đáng kể sử dụng tài nguyên, thời gian thực thi và nâng cao hiệu suất điều khiển. Đồng thời, đề xuất cấu trúc điều khiển bền vững cho động cơ xoay chiều ba pha sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống đạt được sự ổn định và bền vững ngay cả khi có nhiễu hoặc thông số đối tượng thay đổi theo thời gian.
Trình bày tổng quan về phương pháp điều khiển FOC có nhiều ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi. Phân tích phương pháp điều khiển cho các mạch vòng điều chỉnh (dòng stator, từ thông và tốc độ) trên nền tảng DSP và FPGA. Đánh giá các công trình nghiên cứu liên quan đến DSP và FPGA, từ đó lựa chọn nền tảng công nghệ thiết kế phương pháp điều khiển phù hợp.
Trình bày về cấu trúc chung của một FPGA, các phần tử quan trọng và phù hợp nhất. Sự đóng góp và ứng dụng của FPGA trong lĩnh vực điện tử công suất và các ứng dụng điều khiển, đặc biệt với các thuật toán phức tạp. Thảo luận ưu điểm, ràng buộc triển khai và phương pháp thiết kế FPGA dành riêng cho các ứng dụng truyền động và điện tử công suất.
Trình bày phương pháp thiết kế và triển khai bộ điều khiển mạch vòng dòng điện trên FPGA. Đề xuất phương pháp máy trạng thái hữu hạn tuần tự (FSM) và cách thực hiện các phép toán, tính toán hàm trên FPGA sử dụng VHDL cho các thuật toán điều khiển.
Phân tích các ưu nhược điểm của bộ điều khiển PI khi có nhiễu tác động vào hệ điều khiển động cơ xoay chiều ba pha theo cấu trúc FOC. Đề xuất các phương pháp điều khiển nâng cao có khả năng loại bỏ các nhiễu này, đi sâu vào thiết kế bộ kháng nhiễu hỗ trợ điều khiển PI. Trình bày và so sánh kết quả mô phỏng.
Kết luận và kiến nghị của luận án.