Tổng quan nghiên cứu

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động như xe điện, máy CNC với yêu cầu cao về độ chính xác và hiệu suất. Theo báo cáo ngành, PMSM ngày càng được sử dụng phổ biến do ưu điểm về kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao và khả năng điều khiển chính xác. Tuy nhiên, việc thiết kế bộ điều khiển cho PMSM vẫn còn nhiều thách thức do ảnh hưởng của sai số mô hình, nhiễu và các yếu tố phi tuyến trong quá trình vận hành.

Mục tiêu chính của luận văn là nâng cao khả năng điều khiển tốc độ tham chiếu của PMSM, giảm sai số giữa tốc độ tham chiếu và tốc độ thực tế, đồng thời cải thiện độ ổn định và hiệu quả hoạt động của hệ thống. Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa trên thuật toán trượt kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo, áp dụng phương pháp điều khiển định hướng từ trường (FOC) nhằm tối ưu hóa hiệu suất.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 9/2020 đến tháng 6/2021. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các bộ điều khiển PMSM có khả năng thích nghi cao, ứng dụng trong các hệ thống truyền động hiện đại, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: điều khiển định hướng từ trường (FOC) và điều khiển thích nghi dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo (RBF).

  • Điều khiển định hướng từ trường (FOC): Phương pháp này tách dòng điện stator thành hai thành phần id và iq trong miền dq0, giúp điều khiển mô-men và từ thông độc lập, từ đó nâng cao hiệu suất và độ chính xác của động cơ. FOC được mô hình hóa bằng các phương trình vi phân mô tả dòng điện và mô-men xoắn, đồng thời sử dụng bộ điều khiển PI để điều chỉnh dòng điện.

  • Điều khiển thích nghi với mạng nơ-ron RBF: Mạng RBF được sử dụng để ước lượng các tham số không xác định và bù trừ sai số mô hình trong quá trình điều khiển. Bộ điều khiển thích nghi kết hợp thuật toán trượt giúp hệ thống có khả năng thích ứng với các biến đổi và nhiễu trong quá trình vận hành, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả.

Các khái niệm chính bao gồm: mô hình toán học PMSM trong miền dq0, thuật toán FOC, mạng nơ-ron RBF, bộ điều khiển trượt thích nghi, sai số mô hình và nhiễu trong hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink và thực nghiệm trên vi điều khiển F28379D của Texas Instruments. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các bộ điều khiển PID truyền thống và bộ điều khiển thích nghi được thiết kế, so sánh hiệu quả qua các kịch bản vận hành khác nhau.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô phỏng mô hình PMSM và bộ điều khiển trên Matlab Simulink.
  • Thiết kế và lập trình bộ điều khiển thích nghi trên vi điều khiển F28379D.
  • Thu thập và phân tích dữ liệu thực nghiệm về sai số tốc độ, độ ổn định và khả năng chống nhiễu.
  • So sánh hiệu suất giữa bộ điều khiển PID và bộ điều khiển thích nghi qua các chỉ số như sai số bám, thời gian đáp ứng và độ ổn định.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2020 đến tháng 6/2021, bao gồm các giai đoạn: khảo sát lý thuyết, thiết kế mô hình, mô phỏng, thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả điều khiển của bộ điều khiển thích nghi vượt trội so với PID: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sai số bám tốc độ của bộ điều khiển thích nghi giảm xuống còn khoảng 0.1 rad/s, trong khi bộ điều khiển PID có sai số khoảng 0.4 rad/s, tương đương giảm 75%.

  2. Khả năng thích nghi với nhiễu và sai số mô hình: Bộ điều khiển thích nghi duy trì ổn định khi có nhiễu và sai số mô hình lên đến 50% các tham số, trong khi bộ điều khiển PID thể hiện hiện tượng dao động và mất ổn định khi sai số vượt quá 25%.

  3. Thời gian đáp ứng nhanh hơn: Bộ điều khiển thích nghi đạt trạng thái ổn định trong vòng 0.5 giây, nhanh hơn khoảng 30% so với bộ điều khiển PID.

  4. Giảm hiện tượng chattering: Nhờ sử dụng thuật toán trượt kết hợp mạng nơ-ron RBF, hiện tượng chattering trong bộ điều khiển thích nghi được giảm đáng kể, giúp tăng tuổi thọ thiết bị và giảm tiếng ồn vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do bộ điều khiển thích nghi có khả năng ước lượng và bù trừ sai số mô hình động cơ, đồng thời điều chỉnh tham số điều khiển theo thời gian thực. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng bộ điều khiển PID hoặc fuzzy, kết quả này cho thấy sự ưu việt rõ rệt của phương pháp kết hợp mạng nơ-ron và thuật toán trượt.

Biểu đồ so sánh sai số bám và thời gian đáp ứng giữa hai bộ điều khiển có thể minh họa rõ nét sự khác biệt về hiệu quả. Bảng tổng hợp các thông số điều khiển cũng cho thấy bộ điều khiển thích nghi có độ ổn định cao hơn trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra hướng phát triển các bộ điều khiển PMSM có khả năng tự thích nghi, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và độ tin cậy cao như xe điện, robot công nghiệp và máy CNC.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ điều khiển thích nghi trên các hệ thống thực tế: Khuyến nghị các đơn vị sản xuất và nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển thích nghi trên các thiết bị PMSM trong xe điện và máy CNC nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị trong vòng 12 tháng tới.

  2. Phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế và mô phỏng: Xây dựng công cụ mô phỏng tích hợp thuật toán điều khiển thích nghi giúp kỹ sư dễ dàng thiết kế và tối ưu bộ điều khiển, dự kiến hoàn thành trong 6 tháng.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về điều khiển thích nghi và mạng nơ-ron cho kỹ sư và sinh viên trong lĩnh vực tự động hóa, nhằm phổ biến kiến thức và ứng dụng rộng rãi trong 1 năm tới.

  4. Nghiên cứu mở rộng cho các loại động cơ khác: Khuyến khích nghiên cứu áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi cho các loại động cơ khác như động cơ cảm ứng (IM) và động cơ đồng bộ cuộn dây (WFSM) để đa dạng hóa ứng dụng, thời gian nghiên cứu dự kiến 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế điều khiển động cơ: Luận văn cung cấp phương pháp thiết kế bộ điều khiển thích nghi hiệu quả, giúp cải thiện độ chính xác và ổn định trong các hệ thống truyền động.

  2. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển: Cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình thực nghiệm chi tiết về điều khiển PMSM, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

  3. Sinh viên ngành điện – điện tử và cơ điện tử: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập và nghiên cứu về điều khiển động cơ, mạng nơ-ron và thuật toán trượt.

  4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị truyền động: Giúp nâng cao chất lượng sản phẩm thông qua ứng dụng bộ điều khiển thích nghi, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ điều khiển thích nghi khác gì so với bộ điều khiển PID truyền thống?
    Bộ điều khiển thích nghi sử dụng mạng nơ-ron và thuật toán trượt để tự động điều chỉnh tham số, giúp giảm sai số và tăng khả năng chống nhiễu, trong khi PID có tham số cố định và kém linh hoạt hơn.

  2. Phương pháp FOC có ưu điểm gì trong điều khiển PMSM?
    FOC cho phép điều khiển mô-men và từ thông độc lập, giúp tăng hiệu suất và độ chính xác, đồng thời giảm tổn hao năng lượng so với các phương pháp điều khiển truyền thống.

  3. Mạng nơ-ron RBF được sử dụng như thế nào trong bộ điều khiển?
    Mạng RBF được dùng để ước lượng các tham số không xác định và bù trừ sai số mô hình, giúp bộ điều khiển thích nghi với các biến đổi và nhiễu trong quá trình vận hành.

  4. Hiện tượng chattering là gì và làm sao để giảm?
    Chattering là hiện tượng dao động nhanh trong bộ điều khiển trượt gây tiếng ồn và mài mòn thiết bị. Việc kết hợp mạng nơ-ron giúp giảm chattering bằng cách làm mượt tín hiệu điều khiển.

  5. Bộ điều khiển thích nghi có thể áp dụng cho các loại động cơ khác không?
    Có, phương pháp này có thể mở rộng áp dụng cho các loại động cơ khác như động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ cuộn dây, tuy nhiên cần điều chỉnh mô hình và thuật toán phù hợp.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế thành công bộ điều khiển thích nghi kết hợp mạng nơ-ron RBF và thuật toán trượt cho động cơ PMSM, nâng cao hiệu quả điều khiển so với PID truyền thống.
  • Sai số bám tốc độ giảm xuống còn khoảng 0.1 rad/s, thời gian đáp ứng nhanh hơn 30%, đồng thời giảm hiện tượng chattering.
  • Phương pháp điều khiển thích nghi có khả năng chống nhiễu và thích ứng với sai số mô hình lên đến 50%.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên vi điều khiển F28379D chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế, phát triển phần mềm hỗ trợ và đào tạo kỹ thuật để phổ biến phương pháp trong ngành.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị nghiên cứu và sản xuất nên áp dụng bộ điều khiển thích nghi này trong các hệ thống truyền động PMSM để nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các loại động cơ khác.