Tổng quan luận án

Hệ truyền động động cơ – bánh đà (TĐ ĐC-BĐ) là cấu trúc truyền động tích hợp bánh đà như một thành phần hỗ trợ nguồn động lực cho động cơ. Trong các ứng dụng truyền thống, bánh đà thường kết nối qua hộp giảm tốc để giảm chấn trong các máy gia công có tải xung kích lớn (máy cán, máy dập, máy nghiền) hoặc phương tiện hạng nặng. Ở hướng ứng dụng hiện đại, hệ TĐ ĐC-BĐ được triển khai trong các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng bánh đà (Flywheel Energy Storage System - FESS), hoạt động theo nguyên lý biến đổi điện năng thành động năng khi nạp (động cơ quay tốc độ cao) và chuyển hóa động năng thành điện năng khi xả (máy phát phát điện vào lưới). FESS được áp dụng trong các bộ cấp nguồn không gián đoạn (UPS) công suất lớn, hệ thống cấp điện khẩn cấp cho bơm làm mát thanh nhiên liệu hạt nhân, bù công suất đỉnh cho lưới điện tích hợp năng lượng tái tạo, hệ thống thu hồi động năng (KERS) trên ô tô lai, hoặc xe buýt điện đô thị sạc nhanh tại các trạm dừng.

Động năng tích lũy trong bánh đà tỷ lệ thuận với mômen quán tính $J$ và tỷ lệ bậc hai với tốc độ quay $\omega$ ($E = \frac{1}{2} J \omega^2$). Việc tăng bán kính và khối lượng làm tăng kích thước, trọng lượng và giá thành thiết bị, đồng thời gây bất lợi cho độ bền cơ học. Do đó, xu hướng công nghệ là nâng cao tốc độ quay (thường trên 10.000 vòng/phút). Ở dải tốc độ này, việc sử dụng ổ đỡ cơ khí bộc lộ hai nhược điểm: tổn hao ma sát lớn và tuổi thọ ngắn do mài mòn, đòi hỏi bảo dưỡng định kỳ thường xuyên. Để khắc phục, cơ cấu nâng bằng từ trường không tiếp xúc (ổ từ) được áp dụng nhằm loại bỏ hoàn toàn ma sát cơ học và nhu cầu bôi trơn. Trong các dạng ổ từ (nam châm vĩnh cửu, siêu dẫn, nam châm điện), ổ từ chủ động (Active Magnetic Bearing - AMB) sử dụng nam châm điện có điều khiển được đánh giá cao nhờ khả năng chịu tải, độ cứng vững và tính linh hoạt trong vận hành.

Hệ thống FESS tích hợp ổ từ hiện nay thường sử dụng cấu hình 5 bậc tự do truyền thống với 2 cụm ổ từ ngang trục ở hai đầu trục (4 bậc tự do) và 1 cụm ổ từ dọc trục dạng vành khăn (1 bậc tự do). Cấu hình này làm chiều dài trục bị kéo dài, giảm tính ổn định và gây khó khăn khi chế tạo bánh đà dạng đĩa dẹt vành rộng có mômen quán tính lớn. Mặt khác, hệ ổ từ chủ động có đặc tính phi tuyến bậc hai sâu, độ cứng âm và tính chất ghép kênh động lực học phức tạp giữa các trục khi bánh đà quay ở tốc độ cao. Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là: cần thiết kế một cấu trúc ổ từ mới tối ưu về mặt cơ khí cho bánh đà dạng đĩa phẳng, đồng thời xây dựng mô hình toán học đa biến và thuật toán điều khiển phi tuyến xử lý được tính chất phi tuyến và tương tác động lực học giữa các bậc tự do.

  • Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động trong truyền động động cơ - bánh đà nhằm nâng cao chất lượng vận hành của hệ thống.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ – bánh đà.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế cấu trúc và thuật toán điều khiển cho ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ - bánh đà, tập trung vào cơ cấu 3 cụm ổ từ dọc trục điều khiển 3 bậc tự do nâng và giữ cân bằng mặt phẳng bánh đà.
Thành phần nghiên cứu Mô tả chi tiết theo văn bản
Loại hình công trình Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa (Mã số: 9520216)
Tác giả & Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh Nguyễn Danh Huy; Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh
Cơ sở đào tạo & Thời gian Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, bảo vệ năm 2019
Dự kiến kết quả Xây dựng mô hình điều khiển ổ từ chủ động trong hệ TĐ ĐC-BĐ; thiết kế điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử phát triển cho thấy công nghệ lưu trữ năng lượng bánh đà cơ học đã xuất hiện từ đầu thế kỷ 20. Năm 1917, Stoloda công bố nghiên cứu về hình dạng rotor bánh đà và phân bố ứng suất quay. Giai đoạn 1960–1970, NASA tài trợ các chương trình nghiên cứu sử dụng bánh đà làm nguồn cung cấp chính cho thiết bị không gian, định hình khái niệm "pin cơ học". Thập niên 1970, lưu trữ bánh đà được nghiên cứu ứng dụng cho xe điện và hệ thống thu hồi năng lượng. Đến thập niên 1980, sự phát triển của điện tử công suất, vật liệu bán dẫn và kỹ thuật ổ từ chủ động đã đưa FESS vào ứng dụng thực tế. Các tổ chức và doanh nghiệp đã thử nghiệm nhiều hệ thống tiêu biểu:

  • Tổ chức USFS (Mỹ) thử nghiệm hệ thống bánh đà chu trình nạp/xả sâu (DOD) tới 90% với 50.000 chu kỳ ở tốc độ 60.000 vòng/phút (tốc độ vành ngoài 1 km/s) không suy giảm tính năng.
  • Đại học Austin tại Texas thử nghiệm bánh đà vật liệu composite ở tốc độ 48.000 vòng/phút qua hơn 90.000 chu kỳ nạp–xả.
  • Các nhà sản xuất Pillar (Đức) và Beacon Power thương mại hóa các hệ thống FESS công nghiệp và lưới điện.

Về cấu trúc và phương pháp điều khiển ổ từ trong hệ truyền động bánh đà, các công trình được luận án phân tích gồm:

  • Cấu trúc ổ từ và năng lượng: Công trình [14] đề xuất cấp nguồn cho ổ từ từ chính năng lượng tích lũy của bánh đà để hệ thống hoạt động độc lập. Nghiên cứu [7] đề xuất chuyển ổ từ dọc trục thành 3 bậc tự do kết hợp 2 bậc tự do ngang trục nhằm tăng diện tích mạch từ, giảm dòng điện cuộn dây và tăng lực nâng. Nghiên cứu [15] sử dụng cơ cấu lai gồm ổ từ thụ động tạo lực nâng nền và ổ đỡ cơ khí dự phòng khi xảy ra sự cố. Nghiên cứu [16] so sánh bánh đà vành rộng và bánh đà trụ dài cùng mức dung lượng 5 kWh ở 18.000 vòng/phút, chỉ ra rằng bánh đà vành rộng có mật độ năng lượng cao hơn 70% với khối lượng chỉ bằng 60%, nhưng chịu ảnh hưởng của mômen con quay hồi chuyển lớn hơn gây mất ổn định ở dải vận tốc trên 9.000 vòng/phút. Nghiên cứu [17] phát triển ổ đỡ từ điện động đơn cực cho vệ tinh địa tĩnh; nghiên cứu [18] đề xuất ổ từ thụ động dùng vòng dẫn khép kín; nghiên cứu [19] dùng nam châm vĩnh cửu phụ trợ di chuyển chủ động kết hợp ổ từ siêu dẫn nhiệt độ cao.
  • Thuật toán điều khiển: Điều khiển tuyến tính cổ điển PID và PD thích nghi [21], [22] đòi hỏi tuyến tính hóa quanh điểm làm việc và sử dụng dòng điện tiền từ hóa $I_0$. Nghiên cứu [25], [26] ứng dụng điều khiển PID mờ để tăng khả năng thích nghi với biến thiên tham số. Tuy nhiên, do bản chất phi tuyến bậc hai và độ cứng âm của lực từ, điều khiển tuyến tính bị giới hạn dải làm việc. Các hướng điều khiển phi tuyến gồm: tuyến tính hóa vào - ra kết hợp điều khiển trượt (SMC) [28], [31], [32]; điều khiển chuyển mạch phi tuyến thích nghi kết hợp bộ quan sát backstepping [29]; mô hình hóa Lagrange và điều khiển PID phân tán [30]; điều khiển phản hồi phi tuyến dựa trên tính chất phẳng (flatness) do Levine và cộng sự [33] phát triển nhằm loại bỏ dòng tiền từ hóa và thiết lập quỹ đạo chuyển động. Trong nước, các nghiên cứu [34], [35] đã khảo sát điều khiển ổ từ ngang trục cho máy điện.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn: Giải quyết bài toán điều khiển nâng và giữ thăng bằng mặt phẳng cho bánh đà dạng đĩa dẹt vành rộng bằng cơ cấu 3 cụm ổ từ kép đặt lệch nhau $120^\circ$. Luận án tập trung xây dựng mô hình toán học quy đổi giữa hệ tọa độ đo $(u, v, w)$ và hệ tọa độ chuyển động $(z, \theta_x, \theta_y)$, đồng thời ứng dụng phương pháp điều khiển tựa phẳng (flatness-based control) có khâu bù sai lệch mô hình và bù nhiễu feedforward để duy trì độ ổn định bánh đà trong các chế độ nâng tĩnh, quay nạp/xả và hãm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Động năng tích lũy của bánh đà hình trụ rỗng/đặc được tính toán theo công thức: $$E = \frac{1}{2} J \omega^2$$ Mômen quán tính khối lượng $J$ đối với đĩa trụ tròn: $$J = \frac{G D^2}{4 g} = \frac{\pi \rho H D^4}{32}$$ Trong đó $D$ là đường kính ngoài, $H$ là chiều dày, $\rho$ là khối lượng riêng của vật liệu, $g = 9{,}81 \text{ m/s}^2$ là gia tốc trọng trường.

Lực hút điện từ của một nam châm điện được xác định từ năng lượng từ trường trong khe hở không khí $e$ với tiết diện cực từ $A$, số vòng dây $n$, độ từ thẩm chân không $\mu_0$: $$W = \frac{1}{2} \mu_0 \frac{n^2 i^2 A}{2 e}$$ Lực điện từ $F_{em}$: $$F_{em} = \frac{d W}{d e} = \frac{\mu_0 n^2 A}{4} \frac{i^2}{e^2} = c \frac{i^2}{e^2}$$ Với hệ ổ từ kép gồm nam châm trên ($Z^+$ tạo lực $F_2$ với dòng $i_2$) và nam châm dưới ($Z^-$ tạo lực $F_1$ với dòng $i_1$), khi bánh đà dịch chuyển một khoảng $z$ so với vị trí cân bằng chính giữa khe hở $e$, tổng lực tác động lên bánh đà là: $$F = F_1 - F_2 = c \left[ \frac{i_1^2}{(e + z)^2} - \frac{i_2^2}{(e - z)^2} \right]$$ Phương trình vi phân chuyển động cơ học của một trục nâng: $$m \ddot{z} = F_1 - F_2 + F_G = c \left[ \frac{i_1^2}{(e + z)^2} - \frac{i_2^2}{(e - z)^2} \right] + m g$$

Lý thuyết điều khiển phi tuyến phẳng (Differential Flatness): Hệ thống phi tuyến được định nghĩa là hệ phẳng nếu tồn tại biến đầu ra phẳng $y$ sao cho tất cả các biến trạng thái $x$ và tín hiệu điều khiển đầu vào $u$ có thể biểu diễn tường minh dưới dạng hàm của $y$ và một số hữu hạn các đạo hàm cấp cao của $y$ mà không cần tích phân phương trình vi phân. Dựa trên tính chất phẳng, bộ điều khiển được thiết kế thông qua việc hoạch định quỹ đạo đặt trơn $y^*(t)$, kết hợp khâu tính toán điều khiển truyền thẳng (feedforward) từ mô hình ngược và khâu phản hồi (feedback) ổn định hóa sai lệch quỹ đạo.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng:

  1. Mô hình hóa giải tích: Thiết lập hệ phương trình trạng thái phi tuyến của hệ thống ổ từ 3 bậc tự do; xây dựng các ma trận biến đổi tọa độ hình học và lực giữa hệ đo trực tiếp $(u, v, w)$ và hệ tọa độ chuyển động tổng quát $(z, \theta_x, \theta_y)$.
  2. Tổng hợp thuật toán điều khiển: Thiết kế thuật toán điều khiển tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng (sử dụng dòng tiền từ hóa $I_0$) và thuật toán điều khiển phi tuyến tựa phẳng có bù sai lệch mô hình và bù nhiễu chuyển động quay.
  3. Mô phỏng số: Kiểm chứng động học nâng, khả năng chống nhiễu và đáp ứng quá độ trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng.
  4. Thực nghiệm trên mô hình vật lý:
    • Phần cứng xử lý: Bo mạch xử lý tín hiệu số dSPACE dS1104 tích hợp các kênh biến đổi ADC (đọc tín hiệu cảm biến vị trí) và DAC (xuất tín hiệu đặt dòng điện).
    • Mạch lực và đo lường: Bộ băm xung công suất dùng transistor công suất điều khiển bởi IC ghép nối cách ly IR2110; cảm biến đo dòng điện hiệu ứng Hall LA25P; nguồn một chiều 250 VDC.
    • Cơ cấu dẫn động: Bánh đà thép gắn đồng trục với động cơ truyền động, điều khiển tốc độ và quá trình xả hãm qua biến tần và điện trở xả.
    • Giao diện điều khiển & giám sát: Xây dựng trên phần mềm ControlDesk phục vụ nạp tham số, đặt dòng từ hóa $I_0$, cấu hình quỹ đạo đặt và hiển thị đáp ứng thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động

Chương 1 trình bày tổng quan cấu tạo, lịch sử phát triển và phân loại các hệ truyền động động cơ - bánh đà. Tác giả phân chia hệ TĐ ĐC-BĐ thành hai nhóm: nhóm tốc độ thấp (dưới 3.000 vòng/phút, dùng ổ bi cơ khí) và nhóm tốc độ cao (ứng dụng trong FESS, dùng ổ đỡ không tiếp xúc). Phân tích nguyên lý nam châm điện cho thấy lực từ có đặc tính phi tuyến bậc hai và độ cứng âm, không thể tự ổn định nếu không có mạch vòng điều khiển phản hồi vị trí.

Tác giả chỉ ra nhược điểm của cấu hình ổ từ 5 bậc tự do thông thường (chiều dài trục lớn, kết cấu phức tạp) và đề xuất cấu hình ổ từ chủ động mới cho hệ TĐ ĐC-BĐ:

  • Sử dụng 1 cụm 2 ổ từ ngang trục ở đầu trục trên để định tâm ngang.
  • Bố trí 3 cụm ổ từ kép tại 3 góc $u, v, w$ lệch nhau $120^\circ$ trên mặt phẳng nằm ngang, cách tâm trục một khoảng bán kính $r$.
  • Kết cấu 3 cụm ổ từ này vừa thực hiện chức năng nâng dọc trục, vừa kiểm soát góc nghiêng lật $\theta_x, \theta_y$ của mặt phẳng bánh đà, tận dụng chính thân bánh đà bằng thép làm mạch từ dẫn từ trường, giúp tăng tiết diện cực từ và giảm dòng điện yêu cầu.

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động

Chương 2 tập trung thiết lập mô hình toán học động lực học quá trình điện cơ của hệ thống trong hai giai đoạn: nâng tĩnh (bánh đà chưa quay) và động học khi bánh đà quay (có tác động của hiệu ứng con quay hồi chuyển Gyroscopic và nhiễu do mất cân bằng).

Động lực học của từng ổ từ kép tại các góc được mô tả bằng phương trình trạng thái phi tuyến với vector biến trạng thái $x = [x_1, x_2]^T = [z, \dot{z}]^T$ và vector tín hiệu vào là dòng điện cuộn dây trên/dưới $u = [i_1, i_2]^T$. Đối với toàn bộ hệ thống đĩa bánh đà 3 bậc tự do, tác giả xây dựng quan hệ chuyển đổi hình học và lực giữa hai hệ tọa độ:

  • Hệ tọa độ đo $(u, v, w)$: Đo trực tiếp độ lệch vị trí $z_u, z_v, z_w$ qua cảm biến tại từng góc và tác động các lực nâng tương ứng $F_u, F_v, F_w$.
  • Hệ tọa độ trạng thái $(z, \theta_x, \theta_y)$: Mô tả độ dịch chuyển dọc trục $z$ của trọng tâm và hai góc nghiêng quay quanh trục $x$ ($\theta_x$) và trục $y$ ($\theta_y$).

Quan hệ quy đổi vị trí và góc nghiêng: $$z = \frac{z_u + z_v + z_w}{3}$$ $$\theta_x = \frac{z_v - z_w}{\sqrt{3} r}$$ $$\theta_y = \frac{2 z_u - z_v - z_w}{3 r}$$

Quan hệ quy đổi lực nâng tổng $F_{ze}$ và các mômen điện từ $M_{xe}, M_{ye}$: $$F_{ze} = F_u + F_v + F_w$$ $$M_{xe} = \frac{\sqrt{3}}{2} r (F_v - F_w)$$ $$M_{ye} = r \left( F_u - \frac{1}{2} F_v - \frac{1}{2} F_w \right)$$

Phương trình vi phân chuyển động tổng quát của bánh đà có xét đến mômen quán tính $J_x, J_y, J_z$, lực nhiễu $F_{zd}$ và mômen nhiễu $M_{xd}, M_{yd}$: $$m \ddot{z} = F_{ze} + F_{zd} - m g$$ $$J_x \ddot{\theta}x + J_z \omega \dot{\theta}y = M{xe} + M{xd}$$ $$J_y \ddot{\theta}y - J_z \omega \dot{\theta}x = M{ye} + M{yd}$$

Chương 3: Thiết kế điều khiển tuyến tính cho hệ ổ từ chủ động của truyền động động cơ - bánh đà

Chương 3 xây dựng bộ điều khiển tuyến tính bằng phương pháp tuyến tính hóa mô hình phi tuyến lân cận điểm làm việc cân bằng tĩnh ($z = 0$). Để đưa hệ thống về vùng làm việc tuyến tính, tác giả đưa vào dòng điện tiền từ hóa $I_0$ cho cả hai cuộn dây nam châm và điều chế dòng điều khiển $i_c$: $$i_1 = I_0 + i_c$$ $$i_2 = I_0 - i_c$$ Khi đó, lực điện từ tổng hợp được xấp xỉ tuyến tính theo độ dịch chuyển $z$ và dòng điều khiển $i_c$: $$F(z, i_c) \approx K_i i_c + K_s z$$ Trong đó $K_i = \frac{4 c I_0}{e^2}$ là hệ số khuếch đại dòng điện, $K_s = \frac{4 c I_0^2}{e^3}$ là hệ số độ cứng vị trí (độ cứng âm).

Tác giả thiết kế cấu trúc điều khiển vị trí nối tầng với mạch vòng dòng điện bên trong và bộ điều khiển PID vị trí bên ngoài:

  • Thiết kế điều khiển cho từng góc độc lập theo hệ tọa độ $(u, v, w)$.
  • Thiết kế cấu trúc điều khiển giải ghép theo hệ tọa độ $(z, \theta_x, \theta_y)$, sau đó chuyển đổi tín hiệu điều khiển sang dòng đặt của các góc $u, v, w$.

Kết quả mô phỏng cho thấy:

  • Khi độ lệch ban đầu nhỏ ($z \le 0{,}01 \text{ mm}$), hệ thống ổn định nhanh về vị trí cân bằng.
  • Khi độ lệch ban đầu lớn ($z \ge 0{,}1 \text{ mm}$) hoặc khi bánh đà quay chịu tác động của mômen con quay hồi chuyển và nhiễu mất cân bằng, phương pháp điều khiển tuyến tính dễ bị bão hòa điện áp/dòng điện, gây dao động vị trí và làm bánh đà va chạm cơ khí. Tăng dòng $I_0$ giúp tăng độ cứng nhưng làm tăng tiêu hao năng lượng và giảm độ bền vững trước nhiễu lớn.

Chương 4: Thiết kế điều khiển phi tuyến cho hệ ổ từ của truyền động động cơ – bánh đà theo nguyên lý phẳng

Chương 4 ứng dụng nguyên lý phẳng (differential flatness) để khắc phục các hạn chế của điều khiển tuyến tính mà không cần sử dụng dòng điện tiền từ hóa cố định $I_0$.

Cấu trúc điều khiển tựa phẳng được xây dựng gồm ba thành phần chính:

  1. Khâu tạo quỹ đạo đặt trơn $z^*(t)$: Thiết lập quỹ đạo nâng từ vị trí ban đầu lên vị trí cân bằng với các đạo hàm cấp 1 ($\dot{z}^$) và cấp 2 ($\ddot{z}^$) liên tục, loại bỏ hiện tượng vọt lố dòng điện và bão hòa lực.
  2. Bộ điều khiển truyền thẳng (Feedforward): Tính toán trực tiếp giá trị dòng điện đặt $i_1^, i_2^$ từ mô hình động lực học ngược của hệ thống dựa trên quỹ đạo đặt và đạo hàm quỹ đạo.
  3. Bộ điều khiển phản hồi (Feedback) và bù sai lệch mô hình: Sử dụng cấu trúc phản hồi sai lệch vị trí để bù trừ các sai số mô hình hóa và nhiễu tải tác động. Đối với hệ $(z, \theta_x, \theta_y)$, thuật toán tích hợp thêm khâu bù feedforward cho thành phần mômen con quay hồi chuyển $J_z \omega \dot{\theta}$ khi bánh đà quay ở tốc độ cao.

Kết quả mô phỏng khẳng định: Hệ điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng nâng bánh đà êm từ các vị trí lệch ban đầu lớn, bám sát quỹ đạo đặt, duy trì ổn định khe hở làm việc và triệt tiêu dao động góc nghiêng $\theta_x, \theta_y$ khi chịu tác động của lực nhiễu không đối xứng.

Chương 5: Thử nghiệm hệ điều khiển ổ từ chủ động trong mô hình truyền động động cơ - bánh đà

Chương 5 trình bày toàn bộ quá trình thử nghiệm thực nghiệm trên mô hình vật lý được chế tạo tại phòng thí nghiệm:

  • Cấu hình ghép nối dSPACE dS1104: Thiết lập các kênh vào tương tự (ADC) nhận tín hiệu từ cảm biến đo vị trí khe hở của 3 góc và các kênh ra tương tự (DAC) phát tín hiệu đặt dòng điện tới các bộ biến đổi công suất băm xung.
  • Thực nghiệm nâng tĩnh: Kiểm chứng nâng bánh đà từ trạng thái nghỉ lên vị trí cân bằng theo cả 2 phương pháp: điều khiển độc lập theo $(u, v, w)$ và điều khiển phối hợp theo $(z, \theta_x, \theta_y)$. Kết quả ghi nhận phương pháp điều khiển theo $(z, \theta_x, \theta_y)$ giữ độ nghiêng mặt phẳng bánh đà nhỏ hơn và thăng bằng tốt hơn.
  • Thực nghiệm quay động và xả hãm: Động cơ truyền động kéo bánh đà quay ổn định ở tốc độ 1.350 vòng/phút. Hệ điều khiển ổ từ duy trì ổn định khe hở không khí trong suốt quá trình tăng tốc, quay xác lập và quá trình hãm xả năng lượng qua điện trở xả.
  • Thực nghiệm thuật toán phi tuyến phẳng: Thử nghiệm tạo quỹ đạo đặt vị trí và tính toán dòng điện trên giao diện ControlDesk. Kết quả cho thấy thuật toán bám quỹ đạo tốt, tuy nhiên xuất hiện sai lệch nhỏ giữa dòng điện đặt lý thuyết và dòng điện thực thi do giới hạn tốc độ chu kỳ quét tính toán của card dS1104.
Thông số thiết kế & thực nghiệm Giá trị trong luận án
Bố trí ổ từ dọc trục 3 cụm ổ từ kép đặt lệch nhau góc $120^\circ$
Cấu hình bậc tự do điều khiển 3 bậc tự do dọc trục ($z, \theta_x, \theta_y$) + 2 bậc tự do ngang trục
Điện áp nguồn DC mạch lực 250 VDC
Dòng điện tiền từ hóa thực nghiệm tuyến tính ($I_0$) 1,8 A
Tốc độ quay thử nghiệm thực tế 1.350 vòng/phút
Phần cứng điều khiển thời gian thực Bo mạch dSPACE dS1104, driver IR2110, cảm biến dòng LA25P

Kết quả và những đóng góp mới

Theo công bố của luận án, công trình đạt được 3 đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật:

  1. Đề xuất cấu trúc ổ từ mới: Đề xuất cấu trúc hệ ổ từ cho hệ truyền động động cơ - bánh đà gồm 3 ổ từ kép bố trí lệch nhau $120^\circ$ thay thế cho 1 ổ từ kép dạng vành khăn truyền thống. Cấu trúc này dễ gia công chế tạo cơ khí, cho phép điều khiển 3 bậc tự do nâng dọc trục và chống nghiêng lật, chao đảo mặt phẳng bánh đà khi quay.
  2. Xây dựng mô hình động lực học tổng quát và ma trận biến đổi tọa độ: Thiết lập hệ phương trình động lực học tổng quát của hệ ổ từ chủ động nâng bánh đà trong các chế độ làm việc (nâng tĩnh, nạp, giữ ổn định và xả năng lượng); xây dựng công thức chuyển đổi tường minh giữa hệ tọa độ đo trực tiếp $(u, v, w)$ và hệ tọa độ chuyển động $(z, \theta_x, \theta_y)$, tạo cơ sở toán học thuận lợi cho việc thiết kế các thuật toán điều khiển giải ghép.
  3. Ứng dụng thành công điều khiển phi tuyến tựa phẳng: Ứng dụng phương pháp điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho hệ ổ từ chủ động 3 bậc tự do của hệ TĐ ĐC-BĐ. Thuật toán giải quyết được tính phi tuyến bậc hai, cho phép hoạch định quỹ đạo chuyển động nâng êm mà không cần duy trì dòng tiền từ hóa $I_0$ lớn, tích hợp khâu bù sai lệch mô hình và bù nhiễu con quay hồi chuyển.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và kết quả thực nghiệm được trình bày trong văn bản:

  • Hạn chế:
    • Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán điều khiển cho cụm 3 ổ từ nâng dọc trục (3 bậc tự do), giả định ổ từ ngang trục hoạt động độc lập và giữ được tâm quay.
    • Tốc độ quay trong điều kiện thực nghiệm tại phòng thí nghiệm đạt mức 1.350 vòng/phút, chưa thử nghiệm ở dải siêu cao tốc (trên 10.000–60.000 vòng/phút) do giới hạn kết cấu bảo vệ và chân không của mô hình phòng thí nghiệm.
    • Giới hạn tốc độ tính toán của card dSPACE dS1104 gây ra sai lệch nhất định giữa tín hiệu đặt dòng điện lý thuyết của bộ điều khiển phẳng và tín hiệu xuất thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tối ưu hóa thuật toán tính toán thời gian thực để giảm tải cho bộ xử lý số DSP.
    • Mở rộng thử nghiệm vận hành hệ thống ở dải tốc độ cao hơn trong môi trường buồng hút chân không.
    • Nghiên cứu điều khiển tích hợp đồng thời cả 5 bậc tự do (kết hợp ổ từ ngang trục và dọc trục) trong cùng một cấu trúc điều khiển đa biến thống nhất.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn trong các lĩnh vực:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp mô hình hóa hệ cơ điện tử phi tuyến đa biến, kỹ thuật chuyển đổi hệ tọa độ động học, và quy trình thiết kế bộ điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng (flatness control).
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống truyền động điện và lưu trữ năng lượng: Tham khảo giải pháp thiết kế cơ khí đĩa bánh đà, tính toán mạch từ nam châm điện nâng từ, thiết kế mạch băm xung công suất dùng driver IR2110, mạch đo dòng cách ly LA25P và kỹ thuật ghép nối thời gian thực với phần cứng dSPACE dS1104.
  • Các phần nội dung có giá trị sử dụng cao: Chương 2 (mô hình toán học quy đổi tọa độ), Chương 4 (thuật toán điều khiển tựa phẳng có bù sai lệch) và Phụ lục/Chương 5 (sơ đồ nguyên lý mạch lực, mạch đo lường và giao diện vận hành ControlDesk).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án đề xuất cấu trúc 3 cụm ổ từ kép lệch nhau $120^\circ$ thay vì 1 cụm ổ từ vành khăn truyền thống?
Ổ từ vành khăn truyền thống bố trí dọc theo trục làm chiều dài trục bị kéo dài, khó gia công và chỉ kiểm soát được 1 bậc tự do dọc trục. Cấu trúc 3 cụm ổ từ kép đặt lệch nhau $120^\circ$ tận dụng bề mặt phẳng của bánh đà dạng đĩa rộng làm mạch từ dẫn, giúp tăng tiết diện cực từ, dễ chế tạo và trực tiếp điều khiển được cả 3 bậc tự do gồm chuyển vị dọc trục $z$ và hai góc nghiêng $\theta_x, \theta_y$, giúp chống chao đảo mặt phẳng bánh đà.

2. Hai hệ tọa độ $(u, v, w)$ và $(z, \theta_x, \theta_y)$ có vai trò gì trong bài toán điều khiển?
Hệ tọa độ $(u, v, w)$ gắn liền với vị trí đặt 3 cảm biến và 3 cơ cấu chấp hành, thuận tiện cho việc đo lường tín hiệu thực tế. Hệ tọa độ $(z, \theta_x, \theta_y)$ mô tả chuyển động tổng quát của bánh đà (độ nâng trọng tâm và góc nghiêng lật), là không gian trạng thái cần thiết để giải ghép các tác động con quay hồi chuyển và thiết kế các thuật toán điều khiển phi tuyến.

3. Nhược điểm chính của phương pháp điều khiển tuyến tính có dòng tiền từ hóa $I_0$ trong hệ ổ từ bánh đà là gì?
Phương pháp tuyến tính hóa chỉ hoạt động chính xác trong lân cận hẹp quanh điểm cân bằng. Khi có sai lệch vị trí ban đầu lớn hoặc khi bánh đà quay tốc độ cao chịu nhiễu Gyroscopic, hệ thống tuyến tính dễ bị bão hòa điện áp và dòng điện, dẫn đến mất ổn định. Ngoài ra, việc duy trì dòng tiền từ hóa $I_0$ liên tục gây tổn hao năng lượng tĩnh trên cuộn dây.

4. Phương pháp điều khiển tựa phẳng giải quyết được những vấn đề gì của hệ thống?
Phương pháp tựa phẳng cho phép hoạch định quỹ đạo nâng $z^*(t)$ trơn tru, tính toán trước dòng điện điều khiển truyền thẳng từ mô hình động lực học ngược mà không cần dựa vào dòng tiền từ hóa cố định $I_0$, đồng thời kết hợp khâu bù sai lệch mô hình và bù nhiễu con quay hồi chuyển để đảm bảo độ bám quỹ đạo khi có nhiễu ngoài.

5. Cấu hình phần cứng chính dùng trong thử nghiệm thực nghiệm gồm những thiết bị nào?
Phần cứng thực nghiệm bao gồm bo mạch xử lý tín hiệu số dSPACE dS1104, mạch công suất băm xung sử dụng IC cách ly IR2110, cảm biến đo dòng điện hiệu ứng Hall LA25P, cảm biến đo khoảng cách khe hở không khí, nguồn cấp 250 VDC, biến tần điều khiển động cơ kéo bánh đà và điện trở xả hãm.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Danh Huy đã giải quyết bài toán mô hình hóa và điều khiển hệ ổ từ chủ động 3 bậc tự do tích hợp trong hệ truyền động động cơ - bánh đà lưu trữ năng lượng. Tác giả đã đề xuất cấu trúc 3 ổ từ kép lệch nhau $120^\circ$, xây dựng hệ phương trình động lực học quy đổi giữa hệ tọa độ đo $(u, v, w)$ và hệ tọa độ chuyển động $(z, \theta_x, \theta_y)$, đồng thời ứng dụng thuật toán điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng có bù sai lệch mô hình và bù nhiễu con quay hồi chuyển. Các kết quả mô phỏng và thử nghiệm thực nghiệm trên bo mạch dSPACE dS1104 cùng hệ truyền động thực tế ở tốc độ 1.350 vòng/phút đã xác minh tính khả thi của mô hình toán học và cấu trúc điều khiển được đề xuất.