Tổng quan luận án

Hệ truyền động sử dụng động cơ điện xoay chiều truyền thống tồn tại hạn chế lớn liên quan đến yêu cầu bảo dưỡng và thay thế định kỳ vòng bi cơ khí. Trong các môi trường làm việc đặc thù như chân không, nhiệt độ cực cao, nhiệt độ cực thấp hoặc các môi trường yêu cầu độ sạch tuyệt đối (công nghệ vật liệu, y sinh, hóa chất, dược phẩm) và tốc độ vận hành siêu cao, dầu bôi trơn và vòng bi tiếp xúc cơ học không thể đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Để giải quyết vấn đề này, hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục (Axial Flux Permanent Magnet - AFPM) tích hợp chức năng ổ đỡ từ là giải pháp kỹ thuật được tập trung nghiên cứu.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là: trong các hệ thống truyền động không tiếp xúc thông thường, việc sử dụng các cụm ổ đỡ từ chủ động (AMB) hướng tâm và hướng trục độc lập làm tăng đáng kể kích thước, khối lượng, số lượng bộ biến đổi công suất và giá thành tổng thể. Các nghiên cứu trước đây về tích hợp ổ từ dọc trục vào động cơ AFPM chủ yếu dừng lại ở các cấu trúc điều khiển kinh điển (PID/PI) tuyến tính hóa quanh điểm làm việc, chưa giải quyết triệt để tính phi tuyến, sự xen kênh mạnh giữa các thành phần dòng điện $i_{sd}, i_{sq}$, lực dọc trục và mô men quay khi có tải cũng như khi xuất hiện ngoại lực tác động.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm:

  1. Mục tiêu chung: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp chức năng ổ đỡ từ dọc trục.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Nghiên cứu mô hình của hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng động cơ đồng bộ phục vụ thử nghiệm.
    • Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến đảm bảo chất lượng hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng động cơ đồng bộ.
    • Kiểm chứng chất lượng điều khiển hệ thống thông qua mô phỏng số và thực nghiệm trên mô hình thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp chức năng ổ đỡ từ dọc trục trong dây quấn stator, làm việc kết hợp với hai ổ đỡ từ hướng tâm ở hai đầu trục nhằm tạo nên hệ truyền động không tiếp xúc hoàn toàn.

Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung vào:

  • Cấu hình động cơ AFPM gồm hai stator ở hai bên và một rotor kép mang nam châm vĩnh cửu cực ẩn ở giữa (cấu trúc DSSR - Double Stator Single/Double Rotor).
  • Xây dựng mô hình toán học mô tả đồng thời chuyển động quay và chuyển động dịch chuyển dọc trục (hệ 2 bậc tự do chủ động).
  • Thiết kế các thuật toán điều khiển cho ba mạch vòng: mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ và mạch vòng vị trí dịch chuyển dọc trục $z$.
  • Đánh giá thực nghiệm trong dải tốc độ làm việc dưới định mức và tại tốc độ định mức $n = 1500$ vòng/phút trên sàn thí nghiệm sử dụng card xử lý tín hiệu số chuyên dụng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án điểm lại tiến trình phát triển của máy điện từ thông dọc trục từ các phát minh ban đầu của Michael Faraday (1831) và bằng sáng chế số 405.858 năm 1889 của Nikola Tesla về động cơ điện-từ có rotor dạng đĩa. Sự phát triển của máy điện AFPM từng bị chậm lại do khó khăn về công nghệ chế tạo lõi thép, lực hút từ tính dọc trục lớn và chất lượng vật liệu từ cứng thời kỳ đầu. Sự ra đời của hợp kim Alnico (1931), Barium ferrite (thập niên 1950) và đặc biệt là nam châm đất hiếm Neodymium-Iron-Boron (NdFeB) công bố năm 1983 đã tạo tiền đề cho sự phát triển của máy điện AFPM. Từ cuối thập niên 1970 và đầu thập niên 1980, các cấu trúc mới của AFPM được giới thiệu bởi Campbell (1975), Leung và Chan (1980), Weh và cộng sự.

Luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu chính trên thế giới về máy điện AFPM:

  • Tối ưu hóa thiết kế hình học và thông số: Aydin và cộng sự (2004, 2006) nghiên cứu kích thước tối ưu cho cấu trúc SSDR và DSSR với tỷ số đường kính tối ưu $\lambda \approx 0{,}58$. Các kỹ thuật tính toán tối ưu hóa đa mục tiêu như tìm kiếm ngẫu nhiên, Hook và Jeeves, Powell, giải thuật di truyền (GA) và tối ưu hóa bầy đàn (PSO) được áp dụng để giảm tổn hao đồng và tăng công suất đầu ra.
  • Vật liệu và công nghệ chế tạo: Nghiên cứu sử dụng vật liệu từ vô định hình (AMM) của Wang và cộng sự làm lõi stator kết hợp nam châm ferrite giúp nâng cao hiệu suất lên 90%; Masson và cộng sự ứng dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao YBCO cho hệ thống đẩy máy bay; Sugimoto và cộng sự sử dụng dây dẫn BSCCO ở nhiệt độ ni-tơ lỏng; Fei và cộng sự thiết kế máy điện 6 kW, 1200 vòng/phút cho truyền động trực tiếp trong bánh xe; các nghiên cứu dây quấn tập trung không xếp chồng và cấu trúc AFPM không lõi thép stator để giảm trọng lượng và loại bỏ tổn thất sắt.
  • Phân tích điện từ, mô men răng cưa và nhiệt: Sung và cộng sự dùng phương trình Maxwell và phương trình tựa 3-D; Lee và cộng sự phát triển phương pháp điện tích từ; Letelier, González, Brown, Woo, Marignetti nghiên cứu suy giảm mô men răng cưa bằng cách thay đổi góc nghiêng nam châm, hình dạng cực từ dạng lồi/lõm, bước rãnh stator và phân tích truyền nhiệt bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA/FEM), phân tích động học chất lỏng (CFD).
  • Điều khiển kích từ và khởi động trực tiếp: Del Ferraro, Zhao, Lopez nghiên cứu giảm từ thông bằng cơ học hoặc điều khiển dòng trục d; Mahmoudi và cộng sự nghiên cứu máy điện AFPM tự khởi động trực tiếp (LSAFPM) với rotor đặc và rotor hỗn hợp.
  • So sánh đặc tính kỹ thuật: Cavagnino, Chen, Pippuri, Qu so sánh định lượng giữa máy điện AFPM, RFPM (từ thông hướng tâm) và TFPM (từ thông ngang trục), khẳng định ưu thế của AFPM về mật độ công suất, mật độ mô men trên một đơn vị thể tích và chiều dài trục ngắn khi số đôi cực lớn.
  • Tích hợp ổ đỡ từ và điều khiển hệ truyền động tự nâng: Nhóm nghiên cứu của A. Chiba tại Đại học Tokyo tích hợp cơ học cuộn dây ổ từ hướng tâm vào stator động cơ (giảm 25% kích thước nhưng vẫn cần bộ biến đổi riêng). Nguyen và Ueno (2010, 2011) giới thiệu máy điện tự đỡ có khe hở dọc trục (AGBM) 4000 vòng/phút, xây dựng cấu trúc điều khiển phân ly lực dọc trục và mô men sử dụng các bộ điều khiển kinh điển PI/PID; Hanxiao và cộng sự nghiên cứu máy điện AFPM stator kép sáu pha sử dụng điều khiển dự báo mô hình hữu hạn (FCS-MPC) kết hợp bộ điều khiển PI.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định: Hầu hết các công trình nghiên cứu công bố trước đó về máy điện AFPM tích hợp ổ từ dọc trục mới chỉ ứng dụng các giải thuật điều khiển tuyến tính kinh điển (PI, PID) trong điều kiện thí nghiệm hạn chế bậc tự do, chưa áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến hiện đại để bù trừ phi tuyến và tách kênh triệt để giữa mạch vòng sinh mô men quay và mạch vòng sinh lực nâng dọc trục. Luận án định vị trọng tâm vào việc xây dựng mô hình toán học giải tích có xét đến tương tác dòng điện - khe hở không khí và thiết kế hệ thống điều khiển phi tuyến hiện đại (Backstepping kết hợp điều khiển trượt SMC).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các hệ thống lý thuyết và công cụ phân tích giải tích chuyên ngành máy điện và điều khiển tự động:

  • Lý thuyết vector không gian và hệ tọa độ quay đồng bộ tựa theo từ thông rotor (T4R): Phương trình điện áp và từ thông ba pha được chuyển đổi sang hệ tọa độ $dq$ thông qua các ma trận chuyển đổi tọa độ ($C_{3/2}, C_{2/3}, C_{3s/2r}, C_{2s/2r}$). Khi trục $d$ trùng với hướng của vector từ thông cực từ rotor $\psi_p$, thành phần $\psi_{pq} = 0$, giúp đơn giản hóa các phương trình vi phân mô tả hệ thống tương tự như động cơ một chiều kích từ độc lập.
  • Lý thuyết mạch từ và tính toán lực hút điện từ: Lực dọc trục sinh ra giữa stator và rotor được xác định thông qua hai phương pháp:
    1. Công thức tích phân ứng suất từ Maxwell: $$F = \frac{1}{2\mu_0} \int B^2 dS \approx 4{,}06 \cdot 10^5 B^2 S$$ (trong đó $B$ là mật độ từ thông khe hở tính bằng Tesla, $S$ là diện tích cực từ tính bằng $\text{m}^2$, $\mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7}\text{ H/m}$).
    2. Phương pháp cân bằng năng lượng từ trường: $$F = \frac{dW_\mu}{dz}$$ Lực sinh ra khi khe hở không khí thay đổi từ $g_0$ sang $g_0 \mp z$, với độ dẫn từ và điện cảm của cuộn dây phụ thuộc phi tuyến vào độ dịch chuyển $z$: $$L(z) \approx L_0 \left(1 \pm \frac{z}{g_0}\right)$$ với $L_0 = \frac{N^2 \mu_0 w l}{2 g_0}$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết giải tích, mô phỏng số trên máy tính và kiểm chứng thực nghiệm trên hệ thống phần cứng thực tế:

  • Mô hình hóa giải tích: Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả quan hệ giữa điện áp stator ($u_{sd}, u_{sq}$), dòng điện stator ($i_{sd}, i_{sq}$), góc quay rotor $\theta_m$, tốc độ góc $\omega_m$, mô men điện từ tổng $M_M$ và lực dọc trục tổng $F$ của cả hai stator.
  • Phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến:
    • Mạch vòng dòng điện: Áp dụng phương pháp phân ly kênh dòng điện $d-q$ bằng các khâu bù tách kênh $R_{ii}$.
    • Mạch vòng tốc độ: Thiết kế bộ điều khiển Backstepping dựa trên hàm thế năng Lyapunov nhằm đảm bảo tính ổn định tiệm cận toàn cục của hệ thống kín.
    • Mạch vòng vị trí dịch chuyển dọc trục: Thiết kế bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) nhằm duy trì khe hở không khí danh định $g_0$, triệt tiêu sai lệch vị trí $z$ dưới tác động của tải và ngoại lực dọc trục.
  • Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng sàn thí nghiệm vật lý gồm động cơ AFPM, tải máy phát một chiều, các cảm biến đo lường và hệ thống điều khiển thời gian thực dSPACE DS1104.
Thành phần hệ thống Thông số / Thiết bị cụ thể Vai trò trong nghiên cứu
Động cơ nghiên cứu AFPM hai stator, một rotor kép nam châm NdFeB Đối tượng chấp hành sinh mô men và lực dọc trục
Nguồn cấp một chiều GW INSTEK PSW 80-40 (80V - 40A) Cung cấp nguồn DC cho nghịch lưu công suất
Cảm biến đo góc quay NIDEC COPAL RE30E-500-213-1 (500 xung/vòng) Đo vị trí góc quay rotor phục vụ định hướng từ trường
Cảm biến đo khoảng cách SENTEC LS 500D-2A Đo dịch chuyển dọc trục $z$ của rotor với độ chính xác cao
Khối điều khiển thời gian thực Card DSP dSPACE DS1104, panel CLP1104 Nạp và thực thi thuật toán điều khiển thời gian thực
Phần mềm giao tiếp ControlDesk & Matlab/Simulink (RTI1104) Giao diện thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ

Chương 1 trình bày tổng quan về lịch sử hình thành, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các phân loại của máy điện đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu. Phân tích so sánh cho thấy động cơ AFPM có mật độ công suất cao, tỷ số mô men/khối lượng lớn, kích thước dọc trục ngắn, hiệu suất cao hơn động cơ từ thông hướng tâm (RFPM) nhờ loại bỏ tổn thất kích từ và giảm vật liệu gông từ.

Tác giả phân tích chi tiết bốn cấu hình cơ bản của động cơ AFPM theo số lượng mô đun stator và rotor:

  • Cấu hình 1 stator - 1 rotor (SSSR): Cấu trúc đơn giản nhưng lực từ dọc trục giữa stator và rotor không cân bằng, gây ứng suất uốn trục lớn.
  • Cấu hình 2 stator - 1 rotor kép (DSSR): Lực từ dọc trục của hai stator tác dụng lên rotor theo hai hướng ngược chiều nhau, cho phép triệt tiêu lực hút tĩnh khi rotor ở vị trí chính giữa.
  • Cấu hình 1 stator kép - 2 rotor (SSDR): Mật độ mô men tương đương DSSR, thích hợp cho các ứng dụng rotor quay ngoài.
  • Cấu hình nhiều tầng (Multi-stage): Gồm $N$ stator và $N+1$ rotor, làm tăng công suất mà không tăng đường kính máy điện.

Từ các phân tích cấu trúc ổ đỡ truyền thống và ổ đỡ từ chủ động (AMB), chương 1 đề xuất lựa chọn cấu hình động cơ AFPM gồm hai stator hai bên và một rotor kép ở giữa (DSSR). Cấu hình này cho phép vừa tạo mô men quay tổng $M = M_1 + M_2$ vừa tạo lực hút dọc trục tổng $F = F_1 - F_2$ để giữ rotor ở vị trí cân bằng giữa hai stator mà không cần trang bị thêm cụm ổ đỡ từ chặn dọc trục riêng biệt.

Chương 1 cũng tổng hợp tình hình nghiên cứu trong nước (tại Đại học Bách khoa Hà Nội và Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên) và quốc tế về thiết kế tối ưu, vật liệu chế tạo, phân tích trường điện từ - nhiệt và các thuật toán điều khiển AFPM, từ đó xác lập định hướng nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho hệ thống.

Chương 2: Mô hình hóa động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ NCVC tích hợp ổ đỡ từ dọc trục

Chương 2 tập trung xây dựng mô hình toán học giải tích toàn diện cho động cơ AFPM tích hợp chức năng ổ từ dọc trục. Cấu tạo đối tượng gồm rotor dạng đĩa gắn các phiến nam châm vĩnh cửu NdFeB trên cả hai mặt (cực ẩn) và hai stator riêng biệt cuốn dây ba pha tập trung.

Mô hình toán học trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor ($dq$) được thiết lập cho từng stator ($k = 1, 2$): $$\frac{di_{sdk}}{dt} = -\frac{1}{T_{sd}} i_{sdk} + \omega_s \frac{L_{sq}}{L_{sd}} i_{sqk} + \frac{1}{L_{sd}} u_{sdk}$$ $$\frac{di_{sqk}}{dt} = -\omega_s \frac{L_{sd}}{L_{sq}} i_{sdk} - \frac{1}{T_{sq}} i_{sqk} + \frac{1}{L_{sq}} u_{sqk} - \frac{\psi_p}{L_{sq}} \omega_s$$ trong đó $T_{sd} = \frac{L_{sd}}{R_s}$, $T_{sq} = \frac{L_{sq}}{R_s}$, $\omega_s = z_p \omega_m$.

Mô men điện từ tổng do hai stator sinh ra: $$M_M = \frac{3}{2} z_p \left[ \psi_p (i_{sq1} + i_{sq2}) + (i_{sq1}i_{sd1} + i_{sq2}i_{sd2})(L_{sd} - L_{sq}) \right]$$ Khi điều khiển vector định hướng từ trường đạt $i_{sd1} = i_{sd2} = 0$, biểu thức mô men trở thành tuyến tính: $$M_M = \frac{3}{2} z_p \psi_p (i_{sq1} + i_{sq2})$$

Về tính toán lực hút dọc trục, chương 2 thiết lập mạch từ tương đương có xét đến chuyển vị dọc trục $z$ của rotor khỏi vị trí danh định $g_0$. Khi rotor dịch chuyển $z$, khe hở không khí của stator 1 là $g_1 = g_0 - z$, của stator 2 là $g_2 = g_0 + z$. Sử dụng phương pháp Maxwell và cân bằng năng lượng từ trường, lực điện từ tổng tác dụng lên trục rotor được xác định: $$F = F_1 - F_2$$ Lực này phụ thuộc phi tuyến vào dòng điện trục $d$ của hai stator ($i_{sd1}, i_{sd2}$), từ thông nam châm vĩnh cửu $\psi_p$ và vị trí dịch chuyển dọc trục $z$. Đây là cơ sở toán học để thiết kế các khâu phân ly và bộ điều khiển vị trí dọc trục.

Chương 3: Điều khiển động cơ đồng bộ từ thông dọc trục

Chương 3 thiết kế cấu trúc điều khiển hoàn chỉnh cho hệ truyền động không tiếp xúc AFPM gồm ba mạch vòng lồng nhau:

  1. Mạch vòng dòng điện: Do có sự xen kênh giữa các trục $d$ và $q$ qua các thành phần sụt áp tốc độ $\omega_s L_{sq} i_{sq}$ và $\omega_s L_{sd} i_{sd}$, tác giả thiết kế bộ bù phân ly $R_{ii}$ nhằm tách kênh độc lập $i_{sd}$ và $i_{sq}$, cho phép điều khiển dòng điện stator đáp ứng nhanh và chính xác.
  2. Mạch vòng tốc độ quay: Được thiết kế theo hai phương pháp để so sánh:
    • Phương pháp kinh điển: Sử dụng bộ điều khiển PID/PI truyền thống.
    • Phương pháp hiện đại: Sử dụng kỹ thuật Backstepping xây dựng trên hàm Lyapunov bậc hai $V = \frac{1}{2} e_\omega^2$, tạo ra tín hiệu điều khiển dòng điện $i_{sq}^*$ đảm bảo đạo hàm $\dot{V} \le 0$, kháng nhiễu tải mô men tốt.
  3. Mạch vòng điều khiển vị trí dọc trục: Thiết kế bộ điều khiển trượt (SMC) kết hợp Backstepping nhằm xác định dòng điện $i_{sd}^*$ cấp cho hai stator, tạo ra lực điện từ $F$ bù trừ chính xác ngoại lực dọc trục $F_L$ và lực kéo không cân bằng, giữ ổn định rotor tại $z = 0$.

Chương 3 tiến hành mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink trong nhiều kịch bản vận hành:

  • Động cơ khởi động và làm việc tại tốc độ định mức khi không có tải và không có lực dọc trục tác động.
  • Động cơ làm việc có tải mô men và có lực dọc trục $F_L$ tác động đột ngột.
  • So sánh đáp ứng động học giữa cấu trúc PID kinh điển và cấu trúc Backstepping-SMC: kết quả mô phỏng khẳng định cấu trúc Backstepping-SMC triệt tiêu hoàn toàn độ quá điều chỉnh tốc độ, thời gian quá độ ngắn hơn và duy trì sai lệch dịch chuyển trục $z \approx 0$ ngay cả khi chịu ngoại lực dọc trục lớn.

Chương 4: Hệ thống thí nghiệm và kết quả thực nghiệm

Chương 4 mô tả chi tiết việc xây dựng sàn thí nghiệm vật lý và tiến hành thực nghiệm kiểm chứng các thuật toán điều khiển đã thiết kế.

Cấu hình phần cứng hệ thống thực nghiệm bao gồm:

  • Động cơ AFPM hai stator một rotor kép được chế tạo thử nghiệm.
  • Tải là máy phát điện một chiều nối trục.
  • Bộ nguồn DC lập trình được GW INSTEK PSW 80-40 cấp nguồn một chiều cho bộ biến đổi nghịch lưu.
  • Encoder quang học NIDEC COPAL RE30E-500-213-1 (độ phân giải 500 xung/vòng) gắn đồng trục để đo vị trí và tốc độ góc.
  • Cảm biến khoảng cách SENTEC LS 500D-2A đo độ dịch chuyển trục $z$ của rotor.
  • Card xử lý tín hiệu số dSPACE DS1104 kết nối qua panel CLP1104, giao tiếp với máy tính thông qua thư viện RTI1104 và phần mềm giám sát thời gian thực ControlDesk.

Các kết quả thực nghiệm được ghi nhận và phân tích trong hai chế độ vận hành chính:

  1. Động cơ vận hành ở tốc độ dưới định mức ($n < 1500$ vòng/phút): Hệ thống khởi động êm, dòng điện ba pha đối xứng, các mạch vòng dòng điện bám sát giá trị đặt, vị trí rotor được giữ vững tại vị trí cân bằng.
  2. Động cơ vận hành ở tốc độ định mức ($n = 1500$ vòng/phút): Khi đóng tải máy phát DC và tạo lực tác động dọc trục, bộ điều khiển Backstepping-SMC nhanh chóng điều chỉnh các thành phần dòng điện $i_{sq}$ và $i_{sd}$ tương ứng, giữ ổn định tốc độ quay và khóa chặt độ dịch chuyển dọc trục của rotor trong giới hạn khe hở an toàn.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:

  • Xây dựng thành công mô hình toán học giải tích cho động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (AFPM) và thiết lập công thức tính toán lực tác dụng dọc trục có xét đến tương tác đồng thời của các thành phần dòng điện $i_{sd}, i_{sq}$ và độ dịch chuyển dọc trục $z$.
  • Thiết kế bộ điều khiển dòng điện stator với giải pháp tách kênh triệt để giữa trục $d$ và trục $q$ bằng các bộ bù phân ly $R_{ii}$.
  • Thiết kế thành công bộ điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp hàm Lyapunov sử dụng kỹ thuật cuốn chiếu Backstepping, nâng cao tính bền vững trước biến động tải.
  • Thiết kế thành công bộ điều khiển trượt (SMC) kết hợp cho mạch vòng vị trí dọc trục, đảm bảo rotor tự cân bằng vị trí khe hở không khí danh định mà không cần trang bị ổ đỡ từ chặn dọc trục cơ học hay ổ từ riêng biệt.
  • Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống thực nghiệm thời gian thực dựa trên nền tảng dSPACE DS1104 và chứng minh tính đúng đắn của các mô hình, thuật toán đề xuất qua các kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

  • Ý nghĩa khoa học: Làm rõ bản chất tương tác điện từ đa chiều trong động cơ AFPM tự nâng hai bậc tự do; đóng góp phương pháp luận thiết kế hệ thống điều khiển phi tuyến đa biến cho đối tượng có liên kết phi tuyến phức tạp giữa lực nâng và mô men quay.
  • Ý nghĩa thực tiễn: Cung cấp giải pháp kỹ thuật giúp loại bỏ cụm ổ từ dọc trục độc lập, giảm kích thước, khối lượng và chi phí chế tạo hệ truyền động không tiếp xúc. Kết quả có thể ứng dụng trong các hệ truyền động tốc độ cao và siêu cao như bơm khí heli lỏng ($-176^\circ\text{C}$) trong máy chụp cộng hưởng từ hạt nhân (MRI), hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà (FESS), máy nén khí cao tốc và truyền động xe điện (EV) công suất đến 130 kW.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu theo phạm vi đề tài:

  • Nghiên cứu giả định hai cụm ổ đỡ từ chủ động (AMB) hướng tâm ở hai đầu trục luôn vận hành lý tưởng, do đó hệ thống chỉ tập trung giải quyết bài toán điều khiển 2 bậc tự do chủ động (chuyển động quay $\theta_m$ và chuyển động tịnh tiến dọc trục $z$).
  • Quá trình thực nghiệm mới thực hiện kiểm chứng ở dải tốc độ đến định mức ($n = 1500$ vòng/phút), chưa thực hiện thử nghiệm ở dải tốc độ siêu cao (trên $10.000$ vòng/phút) hoặc các dải mở rộng điều khiển suy giảm từ thông (field weakening).

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng thuật toán điều khiển tích hợp đồng thời cả 5 hoặc 6 bậc tự do không tiếp xúc (kết hợp điều khiển ổ từ hướng tâm và động cơ AFPM tự nâng trong một cấu trúc điều khiển thống nhất).
  • Nghiên cứu ứng dụng các giải thuật tối ưu hóa kết cấu hình học rãnh stator và dạng cực từ nam châm để giảm thiểu mô men răng cưa và tổn hao dòng xoáy ở tốc độ cao.
  • Triển khai chiến lược điều khiển suy giảm từ thông mở rộng dải tốc độ làm việc công suất không đổi cho các ứng dụng xe điện và bánh đà tích trữ năng lượng.

Giá trị tham khảo

Bản luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện, Cơ điện tử; đặc biệt là phương pháp thiết kế bộ điều khiển Backstepping, điều khiển trượt (SMC) cho hệ thống phi tuyến đa biến MIMO.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D): Trong lĩnh vực thiết kế máy điện đặc chủng, hệ thống đệm từ trường (Magnetic Bearings), hệ truyền động xe điện công suất lớn, máy nén khí chân không và máy bơm y sinh không tiếp xúc.
  • Các nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Quy trình thành lập mô hình toán học giải tích và công thức tính lực hút dọc trục trong Chương 2.
    • Cấu trúc khâu bù phân ly dòng điện $R_{ii}$ và tổng hợp thuật toán Backstepping-SMC trong Chương 3.
    • Phương pháp xây dựng phần cứng và cấu hình phần mềm dSPACE DS1104 / ControlDesk cho các hệ thống điều khiển truyền động điện thời gian thực trong Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ AFPM trong luận án sử dụng cấu hình stator và rotor như thế nào?
Luận án lựa chọn cấu hình gồm hai stator ở hai bên và một rotor kép mang nam châm vĩnh cửu cực ẩn (NdFeB) ở giữa (cấu trúc DSSR - Double Stator Single/Double Rotor). Cấu hình này giúp cân bằng lực hút tĩnh giữa hai phía và cho phép điều khiển lực dọc trục thông qua việc điều chỉnh dòng điện của hai stator.

2. Động cơ đồng thời tạo ra mô men quay và lực dọc trục bằng nguyên lý nào?
Khi cấp điện áp ba pha cho hai stator, thành phần dòng điện trục ngang $i_{sq}$ tương tác với từ trường nam châm vĩnh cửu $\psi_p$ để sinh ra mô men quay cùng chiều $M = M_1 + M_2$. Đồng thời, thành phần dòng điện trục dọc $i_{sd}$ của hai stator tương tác với khe hở không khí làm việc như hai nam châm điện phân cực, sinh ra hai lực hút điện từ ngược chiều $F_1$ và $F_2$, tạo nên lực hút dọc trục tổng $F = F_1 - F_2$ để giữ rotor cân bằng tại $z = 0$.

3. Cấu trúc điều khiển đề xuất gồm những mạch vòng nào và dùng thuật toán gì?
Hệ thống gồm 3 mạch vòng điều khiển lồng nhau: mạch vòng dòng điện sử dụng bộ điều khiển dòng kết hợp khâu bù phân ly $R_{ii}$ để tách kênh độc lập giữa trục $d$ và trục $q$; mạch vòng tốc độ sử dụng thuật toán phi tuyến Backstepping thiết kế theo hàm Lyapunov; mạch vòng vị trí dọc trục sử dụng bộ điều khiển trượt (SMC) để duy trì khe hở không khí danh định.

4. Hệ thống thực nghiệm trong luận án sử dụng các thiết bị phần cứng chính nào?
Hệ thống thực nghiệm gồm: động cơ mẫu AFPM hai stator một rotor kép, tải máy phát một chiều, bộ nguồn DC lập trình được GW INSTEK PSW 80-40, cảm biến góc quay NIDEC COPAL RE30E-500-213-1 (500 xung/vòng), cảm biến đo khoảng cách SENTEC LS 500D-2A, và khối xử lý trung tâm dSPACE DS1104 kết nối panel CLP1104 vận hành qua phần mềm ControlDesk.

Kết luận

Luận án của tác giả Dương Quốc Tuấn đã giải quyết trọn vẹn bài toán mô hình hóa và thiết kế điều khiển phi tuyến cho hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu tích hợp chức năng ổ đỡ từ. Bằng việc kết hợp các bộ bù phân ly dòng điện, thuật toán Backstepping cho mạch vòng tốc độ và điều khiển trượt cho mạch vòng vị trí dọc trục, công trình đã loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng ổ từ chặn dọc trục cơ học hay ổ từ độc lập. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên card DSP dSPACE DS1104 tại tốc độ định mức 1500 vòng/phút đã kiểm chứng tính đúng đắn, độ tin cậy và khả năng ứng dụng thực tiễn của các thuật toán đề xuất trong các hệ truyền động công nghệ cao.