chương 1: giới thiệu chung về xe điện (cụ thể ở đây là ô tô điện) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), chương 2 nói về cấu tạo và nguyên lý hoạt động và giới thiệu mô tả toán học của PMSM. Trong khi chương ba, ta sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng EMR 8 (Energetic Macroscopic Representation[4]) để mô hình hóa hệ thống nghiên cứu của ta và dựa vào đó, xây dựng chiến lược điều khiển dựa trên hàm Lyapunov đã đuộc giới thiệu bên trên. Chương 4 ta đi thiết kế bộ điều khiển backstepping chống trượt cho toàn hệ thống. Và khi có nhiễu, ta sẽ xử lý bằng cách thiết kế bộ quan sát nhiễu phi tuyến, được trình bày ở chương 5.
Cuối cùng, chương 6, bộ điều khiển backstepping được xây dựng kết hợp với kết quả ước lượng của các nhiễu phi tuyến được trong các lần thiết kế trước đó sẽ được mô phỏng trên phân mềm Matlab trên máy tính, kết quả mô phỏng và kết luận cũng được trình bày ở chương này. Sự phát triển của ô tô điện Ô tô điện (cũng là xe ô tô chạy bằng pin hoặc xe hơi chạy bằng điện) là một chiếc ô tô cắm điện với lực đẩy có được từ một hoặc nhiều động cơ điện, sử dụng năng lượng thường được lưu trữ trong pin sạc cho ô tô, thay vì động cơ đốt trong tạo ra năng lượng bằng cách đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và khí. Không tiếng ồn, không ô nhiễm, hiệu năng cao, bởi vì chạy bằng điện cho nên phương tiện không có khí thải và lược bỏ đi những bộ phận của hệ thống nhiên liệu lỏng thông thường như bình nhiên liệu, bơm nhiên liệu, đường ống nhiên liệu. Vì vậy ô tô điện đang được kì vọng sẽ trở thành phương tiện di chuyển chủ yếu ở hiện tại và tương lai và làm cho các xe sử dụng động cơ đốt trong trở thành lỗi thời vào năm 2025.
So với xe động cơ đốt trong, ô tô điện chạy êm hơn, giảm đáng kể lượng khí thải gây ra biến đổi khí hậu và khói bụi, giải quyết vấn đề ô nhiễm gia tăng và cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, cải thiện sức khỏe cộng đồng và giảm thiệt hại sinh thái. Ô tô điện là một trong những phương pháp ưa thích để tạo lực đẩy ô tô vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, mang đến một mức độ thoải mái và dễ vận hành mà những chiếc xe ô tô chạy xăng không thể đạt được thời đó. Năm 1859, Gaston Planté, nhà vật lý người Pháp bắt đầu phát minh ra pin sạc và các vật dụng dùng để lưu trữ điện trên xe. Đến năm 1880, nhà phát minh Gustave Trouvé đã tiến hành cải tiến một động cơ điện nhỏ và được hãng công nghệ Siemens phát triển cùng với pin sạc để gắn vào chiếc xe 3 bánh của James Starley, một nhà sáng chế người Anh.
Chiếc xe 3 bành này là phương tiện giao thông chạy bằng điện đầu tiên trên thế giới [5]. Đến năm 1884 chiếc ô tô điện đầu tiên mới chính thức ra đời do nhà phát minh Thomas Parker chế tạo tại Wolverhampton, Anh. Ở châu Âu, Pháp và Anh là hai quốc gia đầu tiên ủng hộ loại hình xe điện cho giao thông. Tesla - hãng xe điện đại diện của nước Mỹ - chứng tỏ khả năng đi đầu trên thị trường xe điện.1 Xe điện của Tesla.
9 Nhận ra rằng xe điện chính là phương tiện giao thông tương lai nên các nhà sản xuất ô tô đang chịu một sức ép lớn về vấn đề công nghệ. Nhiều quốc gia đã đặt mục tiêu cấm bán các loại xe chạy bằng xăng và dầu diesel trong tương lai, đáng chú ý là: Na Uy vào năm 2025, Trung Quốc và năm 2030, Ấn Độ vào năm 2030, Đức vào năm 2030, Pháp vào năm 2040 và Anh vào năm 2040 hoặc 2050. Một số chính quyền cấp nhà nước và địa phương đã thiết lập các khoản tín dụng thuế, trợ cấp và các ưu đãi khác để thúc đẩy việc giới thiệu và áp dụng trên thị trường các loại xe điện mới. Tại Việt Nam, ô tô điện chỉ mới thực sự được bắt đầu quan tâm trong thời gian gần đây cùng với việc Công ty Vinfast thuộc tập đoàn Vingroup công bố sẽ sản xuất ô tô điện bắt đầu từ năm 2019.
Ngôi sao trong triển lãm xe Paris Motor Show năm 2019 chính là xe ô tô điện, khi cuối cùng thì những thương hiệu cao cấp như Mercedes và Audi đã phải giành mối quan tâm đặc biệt để phát triển xe ô tô điện. Điều này đã thu hút nhiều hãng xe lớn khác cũng như các nhóm nghiên cứu trong các trường đại học tập trung nghiên cứu, ứng dụng, và phát triển những công nghệ nhằm tối ưu hóa hiệu năng của xe điện. Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet synchronous motors - PMSM) là một dạng đặc biệt của máy điện đồng bộ. Động cơ đồng bộ thông thường có cuộn dây quấn phần ứng và cuộn dây quấn kích từ ở rotor được cấp dòng điện một chiều qua chổi than và vành trượt.
Điều đó gây tổn hao rotor, thường xuyên phải bảo dưỡng chổi than, làm giảm tuổi thọ máy. Đây là lý do chính đòi hỏi phải phát triển PMSM. Nhằm khắc phục những nhược điểm của máy điện đồng bộ thông thường như đã trình bày ở trên, người ta thay cuộn kích từ, nguồn kích từ một chiều, chổi than vành trượt bằng một nam châm vĩnh cửu. Vì thế máy PMSM cần phải có suất điện động cảm ứng hình sin, dòng điện phải có dạng hình sin để tạo ra momen điện từ không đổi giống như ở máy đồng bộ thông thường.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có rất nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác đang sử dụng cho truyền động điện xoay chiều. Ở động cơ dị bộ dòng stator vừa để tạo từ trường vừa để tạo momen, khi sử dụng nam châm vĩnh cửu ở rotor, động cơ PMSM không cần cấp một dòng điện kích từ qua stator để tạo từ thông không đổi ở khe hở không khí, dòng stator chỉ cần để tạo momen. Như vậy, với cùng một đại lượng ra động cơ PMSM sẽ làm việc với hệ số cos lớn vì không cần dòng kích từ, dần đến hiệu suất động cơ sẽ cao hơn. Do có ưu điểm nhỏ gọn để tiết kiệm không gian, điện năng tiêu thụ ít hơn 30% so với động cơ điện thông thường, không có cổ góp và chổi than nên không có hiện tượng tia lửa điện nên ứng dụng của PMSM rất rộng rãi trong công nghiệp.
Động cơ PMSM công suất lớn được sử dụng trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió, robot. Động cơ đồng bộ công suât nhỏ được sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ điện, dụng cụ tự ghi. Đặc biệt, với những lợi thế bao gồm tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao, hiệu suất cao, kết cấu chắc chắn, mô-men xoắn thấp, vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong xe điện. Hệ thống động cơ điện có thể được coi là trái tim của xe điện.
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PMSM Cấu tạo của động cơ PMSM. Về cơ bản cấu tạo của PMSM cũng gần giống như động cơ đồng bộ thông thường. Stator của PMSM giống như động cơ đồng bộ thông thường đều sử dựng các lá thép kỹ thuật ghép lại với nhau. Bên trong có xẻ rảnh để đặt dây quấn.
Động cơ PMSM có 3 cuộn dây quấn phân tán hình sin trên chu vi stator. Ba cuộn dây được cấp 3 điện áp xoay chiều. Dạng dòng điện trong cuộn dây là hình sin hoặc gần hình sin. Sự phân bố từ thông ở khe hở không khí có dạng hình sin hoặc gần hình sin.
Rotor của PMSM là một nam châm vĩnh cửu được cấu trúc sao cho sự phân bố độ tự cảm (hoặc mật độ từ thông) là hình sin. Có suất năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn bên trong (cực ẩn) hoặc bên ngoài (cực lồi) lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao. Theo kết cấu của động cơ ta có thể chia PMSM ra thành hai loại: Động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi mà ta xét dưới đây để thấy rõ đặc điểm cấu tạo của từng loại máy điện này. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn (IPMSM).
Rotor của máy điện cựu ẩn thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm. Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt được cấu trúc cơ học bền vững hơn. Máy này được gọi là máy từ trường hướng kính (rotor trụ dài), nó hay được sử dụng trong các máy công cụ. Trong trường hợp này các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép rotor về mặt vật lý coi là không có sự thay đổi nào của bề mặt hình học các nam châm.
Mỗi nam châm được bọc bởi một mảng cực thép nên nó làm mạch từ của máy thay đổi khá mạnh, vì do các mảng cực thép này tạo ra các đường dẫn từ sao cho từ thông cắt ngang các cực này và cả trong không gian vuông góc với từ thông nam châm. Do đó hiệu ứng cực lồi là rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh momen của máy điện như Hình 2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí chìm bên trong (IPM). 11 Với yêu cầu của truyền động servo là vận hành phải êm, do đó cần phải hạn chế momen răng (rãnh) và momen đập mạch do các sóng hài không gian và thời gian sinh ra. Để đạt được điều này người ta thường tạo hình cho các nam châm, uốn các nam châm lượn chéo theo trục rotor, uốn rãnh và dây quấn stator kết hợp với tính toán số răng và kích thước của nam châm.
Kỹ thuật tạo ra các rotor xiên là khá đắt tiền và phức tạp. Trong điều kiện bình thường của truyền động servo, nếu momen điều hoà răng cỡ 2% momen định mức thì có thể coi là chấp nhận được. Tuy nhiên có thể hạn chế được đa số các momen điều hoà răng (rãnh) trong truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cấp từ bộ biến đổi bằng cách sử dụng bộ biến đổi chất lượng cao và các bộ điều khiển có chứa các phần tử đo chính xác các thông số hoạt động như tốc độ, vị trí của động cơ. Trong các máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển, trên stator có các răng, ngày nay ta có thể chế tạo stator không răng.