Nâng Cao Chất Lượng Điều Khiển Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu

Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu nhận dạng và điều khiển máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, ứng dụng trong công nghiệp hiện đại.

• Tác giả: Phạm Quốc Khanh
• Người hướng dẫn: GS. Hồ Phạm Huy Ánh
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nâng Cao Chất Lượng Điều Khiển Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Điều Khiển Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) ngày càng được ưa chuộng nhờ mật độ công suất cao, hiệu suất vượt trội và kích thước nhỏ gọn. Ứng dụng của điều khiển động cơ PMSM trải rộng từ công nghiệp đến dân dụng, đặc biệt trong các thiết bị thông minh và hệ thống truyền động hiện đại. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa điều khiển động cơ PMSM vẫn còn nhiều thách thức, đòi hỏi các nghiên cứu chuyên sâu để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Bài toán điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không chỉ dừng lại ở việc đạt được tốc độ mong muốn mà còn phải đảm bảo độ ổn định, giảm thiểu rung động và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ. Các phương pháp điều khiển vector động cơ PMSM và điều khiển trực tiếp moment động cơ PMSM (DTC) được sử dụng rộng rãi, nhưng vẫn cần được cải tiến để đáp ứng các yêu cầu khắt khe hơn.

1.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu

Động cơ đồng bộ (SM) nam châm vĩnh cửu nổi bật với hiệu suất cao, mật độ công suất lớn, kích thước nhỏ gọn và chi phí bảo trì thấp. Nhờ nam châm vĩnh cửu (PM), động cơ này không cần dòng kích từ, giúp giảm tổn thất và tăng hiệu suất. Theo nghiên cứu của Phạm Quốc Khanh (2023), PMSM được ưu tiên sử dụng trong các hệ thống truyền động điện hiện đại do những ưu điểm vượt trội này.

1.2. Thách Thức Trong Điều Khiển Động Cơ PMSM Hiệu Suất Cao

Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, điều khiển động cơ PMSM vẫn đối mặt với một số thách thức. Tốc độ động cơ có thể bị giới hạn và các phương pháp điều khiển vector đòi hỏi cảm biến vị trí trục rô-to. Để giải quyết những vấn đề này, các phương pháp điều khiển không cảm biến và mở rộng dải tốc độ đã được phát triển, nhưng vẫn cần cải thiện để đạt hiệu quả cao hơn.

II. Các Vấn Đề Trong Điều Khiển Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu

Một trong những vấn đề quan trọng trong điều khiển động cơ PMSM là xác định chính xác thông số động cơ. Thông số động cơ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của bộ điều khiển. Các thuật toán nhận dạng thông số động cơ đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa điều khiển động cơ PMSM. Ngoài ra, việc mở rộng dải tốc độ hoạt động của động cơ cũng là một thách thức lớn. Các phương pháp điều khiển trường vector động cơ PMSM (FOC) cần được điều chỉnh để đảm bảo hiệu suất cao trong toàn bộ dải tốc độ. Hơn nữa, giảm thiểu ripple moment động cơ PMSM và giảm rung động động cơ PMSM cũng là những yếu tố quan trọng cần xem xét.

2.1. Bài Toán Nhận Dạng Thông Số Động Cơ PMSM Chính Xác

Việc xác định thông số động cơ chính xác là yếu tố then chốt trong điều khiển động cơ PMSM hiệu quả. Thông số động cơ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng điều khiển và hiệu suất của hệ thống. Theo luận án của Phạm Quốc Khanh, các phương pháp ước lượng thông số động cơ PMSM cần có độ chính xác cao để đảm bảo hoạt động tối ưu.

2.2. Khó Khăn Trong Mở Rộng Dải Tốc Độ Hoạt Động PMSM

Mở rộng dải tốc độ hoạt động của động cơ PMSM là một thách thức kỹ thuật. Các phương pháp điều khiển truyền thống thường gặp khó khăn khi hoạt động ở tốc độ cao. Cần có các giải pháp điều khiển tiên tiến để duy trì hiệu suất và độ ổn định của động cơ trong toàn bộ dải tốc độ.

2.3. Giảm Thiểu Ripple Moment và Rung Động Động Cơ PMSM

Ripple moment và rung động là những vấn đề thường gặp trong điều khiển động cơ PMSM. Chúng có thể gây ra tiếng ồn, giảm tuổi thọ động cơ và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Các phương pháp điều khiển cần được thiết kế để giảm thiểu những tác động tiêu cực này.

III. Phương Pháp Điều Khiển Tối Ưu Dựa Trên Nhận Dạng Thông Số

Để giải quyết bài toán xác định thông số động cơ, nhiều thuật toán tối ưu đã được áp dụng. Các thuật toán như Tiến Hóa Vi Sai (DE) và Tối Ưu Hóa Bầy Đàn (PSO) cho phép nhận dạng thông số động cơ một cách chính xác. Việc áp dụng các thuật toán này giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của bộ điều khiển PID động cơ PMSM và các phương pháp điều khiển thích nghi động cơ PMSM. Theo nghiên cứu, các phương pháp nhận dạng thông số có độ chính xác cao giúp nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ động cơ PMSM.

3.1. Ứng Dụng Thuật Toán Tiến Hóa Vi Sai DE Nhận Dạng Thông Số

Thuật toán Tiến Hóa Vi Sai (DE) là một phương pháp tối ưu hóa mạnh mẽ, được sử dụng để nhận dạng thông số động cơ PMSM. Thuật toán này có khả năng tìm kiếm nghiệm tối ưu trong không gian tham số phức tạp, giúp xác định chính xác các thông số động cơ.

3.2. So Sánh Hiệu Quả DE và PSO Trong Nhận Dạng Thông Số Động Cơ

So sánh giữa thuật toán DE và PSO cho thấy DE có khả năng hội tụ nhanh hơn và đạt độ chính xác cao hơn trong một số trường hợp. Tuy nhiên, PSO cũng là một lựa chọn tốt, đặc biệt khi có nhiều ràng buộc hoặc hàm mục tiêu phức tạp.

IV. Giải Pháp Mở Rộng Dải Tốc Độ Cho Động Cơ Đồng Bộ PMSM

Mở rộng dải tốc độ hoạt động là một yêu cầu quan trọng trong nhiều ứng dụng của động cơ PMSM. Phương pháp điều khiển dự báo động cơ PMSM (MPC) và điều khiển suy yếu từ trường (Field Weakening) là hai giải pháp phổ biến. Các phương pháp này cho phép động cơ hoạt động hiệu quả ở tốc độ cao hơn tốc độ định mức. Việc cải thiện hiệu suất động cơ PMSM trong dải tốc độ mở rộng đòi hỏi các thuật toán điều khiển phức tạp và khả năng thích nghi cao.

4.1. Phương Pháp Điều Khiển Suy Yếu Từ Trường Field Weakening Hiệu Quả

Điều khiển suy yếu từ trường là một kỹ thuật cho phép động cơ PMSM hoạt động ở tốc độ cao hơn tốc độ định mức bằng cách giảm từ thông. Kỹ thuật này đòi hỏi điều khiển dòng điện chính xác để tránh quá dòng và đảm bảo hiệu suất cao.

4.2. Ứng Dụng Điều Khiển Dự Báo MPC Trong Mở Rộng Dải Tốc Độ

Điều khiển dự báo động cơ PMSM (MPC) sử dụng mô hình toán học của động cơ để dự đoán trạng thái tương lai và đưa ra các quyết định điều khiển tối ưu. MPC có khả năng thích nghi cao và có thể cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ trong dải tốc độ mở rộng.

V. Điều Khiển Không Cảm Biến Để Tối Ưu Chi Phí Và Độ Tin Cậy

Điều khiển động cơ PMSM không cảm biến (sensorless control PMSM) là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, nhằm giảm chi phí và tăng độ tin cậy của hệ thống. Các phương pháp điều khiển không cảm biến dựa trên mô hình và các thuật toán ước lượng vị trí rô-to. Việc sử dụng các bộ lọc Kalman mở rộng và bộ quan sát chế độ trượt giúp ước lượng chính xác vị trí rô-to mà không cần cảm biến. Bên cạnh đó, điều khiển thích nghi động cơ PMSM được áp dụng để đảm bảo hiệu suất cao trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

5.1. Ước Lượng Vị Trí Rô To Bằng Bộ Lọc Kalman Mở Rộng

Bộ lọc Kalman mở rộng là một công cụ mạnh mẽ để ước lượng vị trí rô-to trong điều khiển không cảm biến. Bộ lọc này kết hợp thông tin từ mô hình động cơ và các phép đo điện áp, dòng điện để đưa ra ước lượng chính xác.

5.2. Sử Dụng Bộ Quan Sát Chế Độ Trượt Để Điều Khiển Không Cảm Biến

Bộ quan sát chế độ trượt là một phương pháp khác để ước lượng vị trí rô-to trong điều khiển không cảm biến. Bộ quan sát này có khả năng chống nhiễu tốt và có thể hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt.

VI. Ứng Dụng và Triển Vọng của Điều Khiển Động Cơ PMSM Nâng Cao

Ứng dụng của điều khiển động cơ PMSM ngày càng mở rộng, từ điều khiển động cơ PMSM trong xe điện đến điều khiển động cơ PMSM trong công nghiệp và điều khiển động cơ PMSM trong robot. Việc đánh giá chất lượng điều khiển động cơ PMSM là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Trong tương lai, các nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh và các phương pháp tối ưu hóa điều khiển động cơ PMSM dựa trên trí tuệ nhân tạo.

6.1. Ứng Dụng Trong Xe Điện và Giao Thông Vận Tải

Điều khiển động cơ PMSM trong xe điện đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và phạm vi hoạt động của xe. Các thuật toán điều khiển tiên tiến giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và giảm thiểu khí thải.

6.2. Triển Vọng Trong Công Nghiệp Tự Động Hóa và Robot

Điều khiển động cơ PMSM trong công nghiệp và điều khiển động cơ PMSM trong robot giúp tăng cường độ chính xác và hiệu quả của các hệ thống tự động hóa. Các thuật toán điều khiển thông minh cho phép robot thực hiện các tác vụ phức tạp một cách linh hoạt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Vấn đề điện khí hóa trong giao thông, công nghiệp và dân dung Các phương tiện vận chuyên hàng hóa và người hiện nay chủ yếu sử dụng các động cơ đốt trong làm động cơ chính. Các nhiên liệu lỏng trở thành nguồn năng lượng được lựa chọn chính trong hoạt động vận tải bởi chúng có mật độ năng lượng cao vả việc vận chuyên, lưu trữ cũng thuận tiện hơn so với khí ga hay hydro lỏng [1]. Tuy nhiên, các phương tiện vận tải chính là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường không khí nghiêm trọng khi nó không chỉ thải ra khí CO2 mà còn các loại khí độc hại khác như SO, SO2, NO2, chi vào môi trường [1]. Các phương tiện vận tải sử dụng điện là một sự thay thế hợp lý trong lĩnh vực vận tải nhằm giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.

Nhiều hãng ô tô truyền thống đã bắt đầu bắt tay vào việc sản xuất các chiếc ô tô điện như là GM, Tesla, Nissan, Toyota, Honda, Benz như được thong kế bởi Tao Deng trong [2]. Ngoài các nhà sản xuất xe hơi truyền thống thì một số công ty ô tô mới tham gia vào thị trường xe hơi cũng đã cho ra đời nhiều dòng xe điện sử dụng động cơ PMSM như Vinfast với dòng xe VF e34. Seong Taek Lee đã tổng hợp ưu điểm và nhược điểm của các dòng động cơ điện như trong Bang 1. Kết quả này được trích xuất trong nghiên cứu [3] và được trình bày trong nghiên cứu [4].

Một số nghiên cứu về động cơ điện trong các ứng dụng truyền động điện di động [5][6][7] có kết luận rằng thấy rang các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor — PMSM) có công suất lớn, mật độ công suất cao, khả năng điều khiển vận tốc linh hoạt hơn khi so với động cơ không đồng bộ (Alternating Current Induction Motor — ACIM), động cơ từ trở (Switch Reluctance Motors — SRM) và động cơ điện một chiều (Direct Current Motor - DCM). Ngoài ra, xét về mặt vận hành, động cơ PMSM có yêu cầu trì bảo dưỡng ít hơn so với các động cơ ACIM và DCM. Với các ưu điểm này của động cơ PMSM, các hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ PMSM được ưu tiên [8]. Ngoài ra, giá thành sản xuât nam châm giảm xuông và công nghệ sản xuât nam châm được nâng cao đã dan đên chi phí sản xuât động cơ PMSM cũng được giảm xuông.

Gia giảm đã giúp nâng cao tỉ trọng của các hệ thống truyền động PMSM so với các dòng động cơ khác.1 Bảng so sánh của các động cơ điện trong ứng dụng xe điện [4] Loại động cơ Ưu điểm Nhược điểm Động cơ DC Dễ điều khiển Yêu cầu bảo trì thường Đặc tuyến mô-men — vận xuyên tốc phù hợp với ứng dụng Hiệu suất và độ tin cậy EV thấp Dãy vận tốc hoạt động thấp Động cơ không Dãy vận toc cao Mật độ công suất thấp và đồng bộ Độ tin cậy cao kích thước lớn. Chi phí thấp Hiệu suất thấp Có khả năng làm việc tốt Tỏa nhiệt lớn tại tốc độ trong môi trường khắc cao. nghiệt Động cơ Mật độ công suất lớn và BỊ giới hạn dãy tốc độ vận PMSM kích thước nhỏ. Hiệu suât cao.

Chi phí cao. Tôn thất sta-to lớn tại tốc độ cao. Động cơ từ trở Đặc tuyến mô-men — vận Nhiễu và nhấp nhô mô- SRM tốc phù hợp với ứng dụng men lớn. EV Mật độ công suất thấp.

Độ tin cậy cao. Hiệu suất thấp. Có khả năng làm việc tốt trong môi trường khắc nghiệt © Chỉ phí thấp.2 Các hạn chế và giải pháp khắc phục cho các bộ truyền động PMSM Động cơ PMSM được ưu tiên sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu chất lượng điều khiển cao và giảm thiêu bảo trì bảo dưỡng. Tuy nhiên với chi phí cao và bị giới hạn dãy tốc độ vận hành động cơ PMSM còn cần thêm rất nhiều các nghiên cứu dé nang cao hon nữa hiệu qua sử dung cũng như giảm thiểu chi phi.

Mục tiêu chính trong các nghiên cứu về điều khiển tốc độ động cơ PMSM đó là nghiên cứu nâng cao dãy tốc độ vận hành, nghiên cứu giảm thiêu chi phi bằng cách loại bỏ cảm biến vị trí và nhận dạng thông số động cơ. Các hướng nghiên cứu này được phân tích cụ thé trong các phần ngay theo sau.1 Bài toán tăng tốc độ PMSM lên trên tốc độ định mức Từ thông rô-to được tạo ra bằng các sử dụng các thanh nam châm vĩnh cửu thay vì dòng điện như các máy điện khác nên không làm phát sinh tổn hao đồng. Điều này cho phép PMSM có hiệu suất và mật độ công suất cao hơn so với các động cơ DC, ACIM và SRM. Tuy nhiên, việc sử dụng nam châm vĩnh cửu với từ thông cố định cũng mang lại những nhược điểm cho các PMSM.

Từ thông rô-to cố định sẽ làm cho sức phản điện động (Back Electromotive Force — BEME) tạo ra trên các cuộn dây gần như tuyến tính với tốc độ động cơ. Trong khi đó, các động cơ PMSM được cấp năng lượng từ các bộ nghịch lưu với điện áp ngõ ra bị giới hạn. Điều này làm cho vận tốc PMSM bị giới hạn ngay cả khi công suất chưa đạt giá trị định mức. Việc tăng tốc độ hoạt động của động cơ một chiều và động cơ đồng bộ được thực hiện băng cách giảm tương ứng dòng điện kích từ cho cuộn dây rô-to.

Trong động cơ PMSM, từ thông nam châm vĩnh cửu trên rô-to là không thé điều khiển được, việc làm giảm từ thông liên kết được thực hiện thông qua việc tạo một dòng điện khử từ theo trục d của nam châm vĩnh cửu [9]. Phương pháp giảm từ thông liên kết dé tăng vận tốc PMSM được gọi chung là phương pháp từ thông suy giảm (Flux Weakening — FW). Có nhiều phương pháp FW được đề xuất nhăm tăng dãy vận tốc hoạt động cho PMSM như phương pháp điều chỉnh tự động (Auto-tuning) [10][11], bộ điều khiển Logic mờ (Fuzzy Logic Control — FLC) [12][13][14], diéu khién tir thông suy giảm dựa trên thuật toán UDE cải tiến (Improved UDE-Based Flux-Weakening Control) [15], điều khiến hiệu chỉnh dòng điện đơn lẻ (Single Current Regulator Control) [16][17][18]. Các phương pháp điều khién đã cải thiện chất lượng điều khiến vận tốc PMSM khi vận tốc vượt quá vận tốc định mức.

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vẫn đề cần được cải thiện và khắc phục như xác định thời điểm và điều kiện chuyền từ vùng hoạt động thông thường qua vùng FW, vấn đề giảm nhấp nhô mô-men điện từ.2 Bài toán điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ PMSM Trong các ứng dụng tốc độ động cơ thay đôi, các bộ điều khiến sử dung để điều chỉnh tốc độ theo yêu cau. Các bộ điều khiển tốc độ PMSM thường sử dụng các phương pháp điều khiển véc-tơ nhằm nâng cao chất lượng điều khiến tốc độ, hiệu suất hoạt động. Có hai phương pháp điều khiến véc-tơ chính và các cải tiến của các phương pháp điều khiển này là phương pháp điều khiển véc-tơ tựa từ thông (Field-Oriented Control - FOC) [19][20][21] và phương pháp điều khiển mô-men trực tiếp (Direct Torque Control- DTC) tiêu biểu trong [22][23][24]. Trong các bộ truyền động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dung phương pháp điều khiển véc-tơ, yêu cầu về thông tin vị trí cũng như tốc độ thực tế của động cơ là cần thiết.

Do đó dé đảm bảo chất lượng điều khién cũng như tính ôn định của hệ thống truyền động, các bộ cảm biến vị trí góc rô-to được lắp đồng trục với trục của động cơ. Việc lắp thêm các bộ cảm biến vị trí sẽ làm gia tăng chi phí lắp đặt cũng như không gian lắp đặt. Đối với một số ứng dụng công suất thấp, năng lượng dành cho bộ cảm biến là đáng kế và sẽ làm hiệu suất vận hành của hệ thống truyền động này. Việc tim ra các giải pháp hợp lý để loại bỏ cảm biến vị trí rôto là yêu cầu bắt buộc trong việc nâng cao chat lượng bộ điều khiển và giảm giá thành sản phẩm.

Các phương pháp điều khiến tốc độ PMSM không sử dụng cảm biến vị trí rô-to được gọi chung là phương pháp điều khiển PMSM không cảm biến. Nhiều phương pháp điều khiển PMSM không cảm biến được đề xuất và sử dụng trong thời gian gần đây. Các phương pháp được đề xuất này bao gồm bộ quan sát chế độ trượt (Sliding Mode Observer — SMO) [25][26], Hệ thong thich nghi tham chiếu mô hình (Model Reference Adaptive System — MRAS) [27][28], Bộ loc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter — EKF) [29][30], Phuong pháp ước lượng sức điện cam ứng [31][32], Phương pháp dựa vào tần số cao [33][34]. Các phương pháp xác định vị trí và tốc độ động cơ PMSM không cảm biến thường dựa trên các giá trị về dòng điện và điện áp đê đưa ra các ước lượng toc độ va vi tri rô-to.

Cac giá tri ước lượng được thường dao động trong một khoảng nào đó đó mặc dù vận tốc rô-to đang không đổi. Do đó, dé cải thiện hơn nữa hiệu suất của các phương pháp điều khiển không cảm biến, cần có nhiều nghiên cứu hơn bằng các phương pháp điều khiển mới và giải pháp giảm thiêu tác động tiêu cực của hiện tượng dao động tốc độ gây ra.3 Bài toán ước lượng thông số động cơ PMSM Việc điều khiển vận tốc của động cơ PMSM trong cả hai phương pháp FOC và DTC đều được thực hiện tự động qua bộ điều khiến tỉ lệ- tích phân (Propotional Integral - PI). Diéu này cho phép nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống. Tuy nhiên, việc lựa chọn các thông số Kp, Ki phụ thuộc rất lớn vào các thông số của động cơ PMSM được điều khiển.

Do đó, dé nâng cao hiệu quả hoạt động của các bộ điều khiển PI thì vấn dé xác định chính xác các thông số động cơ PMSM có vai trò hết sức quan trọng và là một trong các vấn đề cần xác định ban đầu của nhiệm vụ điều khiển động cơ PMSM. Ngoài ra, khi kết hợp với yêu cầu mở rộng dãy vận tốc hoạt động của động cơ sang vùng làm việc FW và điều khiển PMSM không cảm biến thì yêu cầu sử dụng thông số PMSM trong các yêu cầu về chuyên vùng điều khiển FW hay trong van đề ước lượng tốc độ rô- to. Do tầm quan trọng của vấn đề xác định thông số động cơ PMSM, nhiều nghiên cứu được công bố nhằm nâng cao độ chính xác, giảm thời gian tính toán hay giảm chỉ phí thực hiện được đề xuất trong những năm gần đây.