Chiến lược điều khiển chịu lỗi cho máy đồng bộ vĩnh cửu đa pha trong ứng dụng ô tô

PMSM đa pha sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại động cơ truyền thống trong ô tô điện. Khả năng chịu lỗi (fault-tolerance) là một lợi thế quan trọng, cho phép hệ thống tiếp tục hoạt động (dù có giảm hiệu suất) khi một hoặc nhiều pha bị lỗi. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng an toàn, nơi việc dừng hoạt động đột ngột có thể gây nguy hiểm. Hơn nữa, máy đa pha thường có mật độ mô-men xoắn cao hơn và mô-men xoắn gợn nhỏ hơn so với máy ba pha, mang lại trải nghiệm lái xe mượt mà và hiệu quả hơn. Tính linh hoạt trong cấu hình cuộn dây cũng là một điểm cộng lớn, cho phép tối ưu hóa thiết kế cho các yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

Trong môi trường ô tô khắc nghiệt, hệ thống điều khiển chịu lỗi phải đối mặt với nhiều thách thức. Các yêu cầu về hiệu suất, độ tin cậy và an toàn là rất cao. Hệ thống phải có khả năng phát hiện và cô lập lỗi một cách nhanh chóng và chính xác, đồng thời điều chỉnh hoạt động để duy trì hiệu suất chấp nhận được. Hơn nữa, các ràng buộc về dòng điện và điện áp của biến tần và động cơ cần được xem xét để đảm bảo hệ thống hoạt động trong giới hạn an toàn. Các chiến lược điều khiển cần tối ưu hóa mô-men xoắn trong điều kiện lỗi mà không vượt quá giới hạn cho phép.

Khi một pha của PMSM đa pha bị lỗi (ví dụ, hở mạch), sự phân bố dòng điện trong các pha còn lại sẽ bị thay đổi. Điều này dẫn đến sự mất cân bằng trong từ trường và gây ra gợn mô-men xoắn lớn. Gợn mô-men xoắn có thể gây ra rung động và tiếng ồn, đồng thời làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống. Thêm vào đó, lỗi pha có thể làm giảm khả năng tạo mô-men xoắn tối đa của động cơ, ảnh hưởng đến khả năng tăng tốc và vận hành của xe điện. Việc thiết kế các chiến lược điều khiển để giảm thiểu những ảnh hưởng này là rất quan trọng.

Trong điều kiện lỗi, dòng điện trong các pha còn lại có thể tăng lên đáng kể để bù đắp cho sự mất mát mô-men xoắn. Nếu dòng điện vượt quá giới hạn cho phép, nó có thể gây ra quá nhiệt và hư hỏng cho các cuộn dây và biến tần. Tương tự, điện áp trên biến tần cũng có thể tăng lên do sự thay đổi trong dòng điện. Do đó, các chiến lược điều khiển chịu lỗi cần phải tính đến các ràng buộc về dòng điện và điện áp để đảm bảo an toàn và độ tin cậy của hệ thống. Việc tối ưu hóa dòng điện trong các pha còn lại là yếu tố then chốt trong việc duy trì hoạt động ổn định.

Một phương pháp tiếp cận được đề xuất là tạo ra các dòng điện tham chiếu mới dựa trên việc biến đổi tọa độ. Phương pháp này sử dụng các ma trận biến đổi Clarke và Park để chuyển đổi các dòng điện pha thành các dòng điện trong hệ tọa độ d-q. Sau đó, các dòng điện d-q có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa mô-men xoắn và giảm thiểu gợn mô-men xoắn trong điều kiện lỗi. Việc điều khiển dòng điện d-q cho phép điều khiển mô-men xoắn một cách hiệu quả. Theo tài liệu gốc, các chiến lược điều khiển dựa trên mô hình toán học của động cơ có thể mang lại nhiều lựa chọn điều khiển khác nhau. Việc lựa chọn một trong các tùy chọn điều khiển được đề xuất có thể là sự đánh đổi giữa mô-men xoắn chất lượng cao nhưng giá trị trung bình thấp và mô-men xoắn trung bình cao nhưng gợn tương đối cao.

Một phương pháp khác là sử dụng ma trận biến đổi giảm bậc để tạo ra các dòng điện tham chiếu mới. Phương pháp này cho phép giảm số lượng biến được điều khiển, giúp đơn giản hóa hệ thống điều khiển. Ma trận biến đổi giảm bậc được thiết kế để loại bỏ các thành phần dòng điện không tạo ra mô-men xoắn, giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu gợn mô-men xoắn. Các phương pháp tiếp cận khác nhau có thể so sánh về độ phức tạp điều khiển, mô-men xoắn, tổn thất đồng và phạm vi tốc độ. Các chiến lược này cung cấp nhiều tùy chọn thiết kế dòng điện trong chế độ chịu lỗi.

Một ứng dụng của ADALINE là loại bỏ các thành phần hài của dòng điện trong khung tọa độ quay. ADALINE được sử dụng để ước tính các thành phần hài của dòng điện và tạo ra các tín hiệu bù trừ để loại bỏ chúng. Phương pháp này giúp cải thiện chất lượng mô-men xoắn và giảm thiểu rung động. Việc bù các hài bậc cao cải thiện hiệu suất điều khiển một cách đáng kể.

ADALINE cũng có thể được sử dụng để giảm gợn mô-men xoắn trực tiếp trong chế độ lỗi. ADALINE được sử dụng để ước tính gợn mô-men xoắn và tạo ra các tín hiệu điều khiển để bù trừ chúng. Phương pháp này giúp cải thiện chất lượng mô-men xoắn và giảm thiểu rung động. Các thành phần điều hòa của mô-men xoắn được phân tích, và ADALINE được sử dụng trong cấu trúc điều khiển để giảm gợn mô-men.

Hệ thống thực nghiệm bao gồm một PMSM bảy pha, một biến tần và một hệ thống điều khiển dựa trên bộ vi xử lý. Các chiến lược điều khiển được triển khai trên bộ vi xử lý và được sử dụng để điều khiển PMSM trong các điều kiện lỗi khác nhau. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng các chiến lược này có thể duy trì mô-men xoắn ổn định và chất lượng cao, ngay cả khi một hoặc nhiều pha bị ngắt kết nối. Các kết quả thử nghiệm cho thấy tính khả thi của các chiến lược đã được đề xuất.

Các chiến lược điều khiển khác nhau được so sánh và đánh giá dựa trên các tiêu chí như hiệu suất, độ tin cậy và độ phức tạp. Kết quả cho thấy rằng mỗi chiến lược có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn chiến lược phù hợp phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Cần cân nhắc các tiêu chí về mô-men xoắn, tổn thất đồng, và phạm vi tốc độ để lựa chọn phương pháp phù hợp. Việc so sánh với các nghiên cứu gần đây cung cấp thêm một đánh giá toàn diện về hiệu quả của các phương pháp đã đề xuất.

Một hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai là phát triển các thuật toán phát hiện và cô lập lỗi tiên tiến hơn. Các thuật toán này có thể được sử dụng để phát hiện lỗi một cách nhanh chóng và chính xác, giúp cải thiện hiệu quả của hệ thống điều khiển chịu lỗi. Các thuật toán này nên đảm bảo rằng khi một lỗi xảy ra, việc hệ thống có thể tiếp tục hoạt động hoặc không thể hoạt động do các quy tắc an toàn, thì vẫn phải được ưu tiên.

Một hướng nghiên cứu khác là nghiên cứu về các cấu trúc topo biến tần mới cho PMSM đa pha. Các cấu trúc topo biến tần mới có thể giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điều khiển. Một sự đánh đổi giữa chi phí và hiệu suất bổ sung sẽ cho phép những cải tiến mới. Vì vậy, cần xem xét những điều đó để xác định chính xác những gì sẽ mang lại lợi ích lớn nhất cho hệ thống tổng thể.